DSP和AD9244的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

趙發(fā)定，周正義，穆帥歡，陽 路

（西南石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，四川 成都610500）

由于DSP芯片具有先進的并行結(jié)構(gòu)，使其在信號處理和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。TI公司的DSP芯片TMS320F2812具有模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的ADC采樣模塊，理論上采樣精度為12位，在實際使用中采樣精度為9位或10位[2]。AD9244是ANALOGDEVICES公司生產(chǎn)的14位高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要特點是體積小、功耗低、精度高，主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)、醫(yī)療、高端成像設(shè)備、超聲波設(shè)備，利用AD9244作為DSP的外擴模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，提高了數(shù)據(jù)采集的精度。

1 芯片介紹

TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的面向數(shù)字控制、運動控制領(lǐng)域的DSP芯片，它支持多項的高速實時算法，采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)，將程序和數(shù)據(jù)放在不同的存儲空間。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技術(shù)，CPU主頻高達150 MHz，時鐘周期為6.67 ns，采用低功耗設(shè)計，內(nèi)核電壓為1.8 V，數(shù)字I/O口引腳電壓為3.3 V。同時TMS320F2812的片內(nèi)外設(shè)資源豐富，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的ADC采樣模塊理論精度為12位。AD9244是ADI公司生產(chǎn)的14位高速高精度模擬轉(zhuǎn)換器。它具有750 MHz的輸入帶寬，最高允許抽樣速率達到65 MHz。體積小、功耗低、精度高[3]，專門應(yīng)用于峰峰值小于2 V的模擬信號轉(zhuǎn)換。AD9244內(nèi)部使用多級差分電路結(jié)構(gòu)，并帶有自動糾錯的邏輯電路，可以在65 MS/s的輸入數(shù)據(jù)速率下保證14 bit的精度。此外，該器件還具有很寬的工作溫度范圍，可以在-40℃～+85℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。AD9244的14位數(shù)字輸出信號可以表示為直接二進制的形式，也可以是二進制補碼的形式。AD7501是ADI公司生產(chǎn)的八通道多路模擬器，可以選擇8路信號中的一路信號送至公共輸出端，其輸入引腳的選擇根據(jù)狀態(tài)引腳的3個二進制地址和1個輸入使能引腳的電平?jīng)Q定，AD7501功能主要是將多路模擬信號分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。AD7501的開關(guān)時間為：ton=0.8μs，toff=0.8μs[3]。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對8路峰峰值小于2 V的小信號數(shù)據(jù)進行采集，14位采集精度，DSP對數(shù)據(jù)進行讀取并處理。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由模擬開關(guān)電路、高精度A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP芯片、DSP附屬電路及外圍控制電路、執(zhí)行電路組成。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

多路模擬信號選擇處理電路由模擬開關(guān)和DSP組成，其主要功能是對多路模擬信號進行處理，使多路模擬信號經(jīng)過模擬開關(guān)選擇后，依次進入A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要是將模擬開關(guān)送來的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送至DSP芯片進行處理。DSP附屬電路及外圍控制電路保證DSP正常工作。執(zhí)行單元主要是接收DSP采集的多路數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)進行多種控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

模擬開關(guān)選用AD7501是有譯碼器的模擬開關(guān)，有8路數(shù)據(jù)輸入，1路數(shù)據(jù)輸出，其輸入通道由通道選擇引腳A0、A1、A2和使能引腳EN確定，任意時刻只能有一路數(shù)據(jù)輸入通過多路開關(guān)[4]。其真值表如表1所示。

表1 真值表

AD7501的通道選擇引腳和使能引腳與DSP的數(shù)據(jù)線連接，通過DSP選擇模擬信號進入A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。相應(yīng)的硬件轉(zhuǎn)換電路框圖如圖2所示。

圖2 硬件轉(zhuǎn)換電路框圖

高精度A/D選擇的AD9244是14位高速高精度A/D轉(zhuǎn)換器。它專門應(yīng)用于峰峰值小于2 V的小信號數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其最高允許采樣速率達到65 MHz，電源可以由+5 V的模擬電源供電，也可以在+3 V或+5 V的數(shù)字電壓下供電，在5 V供電電壓和65 MS/s的輸入數(shù)據(jù)速率下，該器件的功耗為590 mW。AD9244的輸出允許管腳（OED）接地，AD9244的輸出驅(qū)動器就會激活，并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，電壓溢出指示管腳（OTR）與DSP相連接，用于檢測輸入電壓是否超過A/D轉(zhuǎn)換的電源范圍，輸出數(shù)據(jù)形式選擇管腳（DFS）直接和數(shù)字地相接，使AD9244輸出數(shù)據(jù)形式為二進制，AD9244的數(shù)據(jù)線與DSP數(shù)據(jù)總線相連，AD9244的時鐘信號引腳（CLK+）和DSP相連接，時鐘引腳（CLK-）通過一個0.1μF的電容與地相連，時鐘信號由DSP提供。由于AD9244是完全依靠外加的時鐘來抽樣，時鐘信號的質(zhì)量對ADC的性能影響尤為重要。必須使時鐘的上升沿盡可能的快，并且盡可能減小抖動[5]。AD9244的參考電壓采用外部參考電壓。相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換硬件電路框圖如圖3所示。

圖3 硬件電路框圖

TMS320F2812為低功耗器件，內(nèi)核電壓為1.8 V，I/O口電壓為3.3 V，F(xiàn)lash編程電壓為3.3 V，一般外圍提供的電壓為5 V，而系統(tǒng)的1.8 V和3.3 V需要轉(zhuǎn)換芯片對5V電壓進行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)選用TPS767D301，TPS767D301是TI公司推新推出的雙路低壓差電源調(diào)整器，主要應(yīng)用在需要雙電源供電的DSP設(shè)計中。TPS767D301帶有可單獨供電的雙路輸出，一路固定輸出電壓為3.3 V，另一路輸出電壓可以調(diào)節(jié)，范圍為1.5 V～5.5 V，通過外接一個電阻取樣網(wǎng)絡(luò)來得到TMS320F2812內(nèi)核需要的1.8V電壓。設(shè)計時外部提供純凈+5 V電源輸入，在經(jīng)過一個鐵氧體磁珠L1進行濾波后進入電源芯片[6]，其電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3 程序設(shè)計和軟件仿真

程序設(shè)計使用C語言編寫源程序，首先對系統(tǒng)進行初始化，分別初始化DSP和DSP的通用定時器T1、AD9244、AD7501。首先使能AD7501，并選通第1路模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時把轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入DSP，并啟動定時器T0，定時器時間根據(jù)需要設(shè)置，本文設(shè)置為0.01ms，當定時器達到0.01 ms時產(chǎn)生中斷，改變AD7501的信號選擇引腳的地址，讓另外1路信號輸入進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時啟動定時器，這樣循環(huán)往復(fù)實現(xiàn)8路數(shù)據(jù)的采集，其系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

軟件仿真采用TI公司DSP開發(fā)環(huán)境CCS3.3（Code Composer Studio）軟件。連接硬件仿真系統(tǒng)，目標板上電，啟動CCS3.3軟件，對C語言源程序進行導(dǎo)入，編譯。

目前在工業(yè)控制領(lǐng)域，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。本文介紹的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在TMS320F2812芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計的，其硬件連接比較簡單，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用外擴模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9244。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)比采用DSP內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度高，可以對流量、溫度、壓力、密封差壓、各點振動位移、催化劑含塵量等多種小信號數(shù)據(jù)進行采集。該系統(tǒng)降低了硬件設(shè)計的成本和時間，具有靈活、高速、可靠、多路數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各種智能儀表、自動化控制設(shè)備。

[1]賴武剛，郭勇，詹鵬.基于DSP和MAX147的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計算機信息，2007，23（8-2）：182-183.

[2]顧衛(wèi)剛.手把手教你學(xué)DSP[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3]杜洋，李寶森.14位高精度高速AD轉(zhuǎn)換器AD9244[J].國外電子元器件，2003（10）：35-37.

[4]李興山，楊繼紅.多通道數(shù)據(jù)采集裝置的研制[J].內(nèi)肛科技，2006（7）：137-137.

[5]李寶森，杜洋.高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9244在軟件無線電中的應(yīng)用[J].電子器件，2009，29（2）：539-542.

[6]賈凱，鄭春暉，陳為廉.基于TMS320F2812的雙電源供電電路設(shè)計實現(xiàn)[J].電子工程師，2008，34（9）：27-29.