基于TMS320F28335的高速數據采集電路設計

張文磊，趙洪亮

（山東科技大學 山東 青島 266590）

超聲波流量計是近些年來逐漸得到重視的流量測量儀表，具有無壓力損失、非接觸測量、適用性強、應用范圍廣和安裝維護簡單等優點，適用于高溫、高壓、強腐蝕性、易爆和放射性等各種流體介質和工況條件[1]。由于采用時差法進行設計，所以數據采集電路的速率對超聲波流量計的測量精度有至關重要的影響。傳統的高速數據采集電路，大部分需要包含FIFO單元及CPLD邏輯控制單元[2-3]，成本較高。

文中以實時MCU處理器TMS320F28335為核心，通過外部擴展接口Xintf擴展高速A/D轉換器ADS805E，并使用DMA高速讀取AD轉換后的數據，設計了一種低成本高速數據采集電路。TMS320F28335是德州儀器（TI）公司推出的一款高性能數字信號處理器，處理能力可達150MHz，具有32位浮點處理單元，外設集成度高，包括DMA，PWM，Xintf等，能夠滿足高速數據采集及復雜算法處理[4]。ADS805E是德州儀器（TI）公司推出的一款12位分辨率，流水線型AD轉換器。其采樣頻率可達20 MHz，內部集成高帶寬線性采樣保持器，具有高動態范圍，低失真度，高信噪比（SNR）等特點[5]，能夠很好的滿足設計需求。

1 硬件總體結構

數據采集電路的總體結構框圖如圖1所示，主要由TMS320F28335核心板與數據采集電路接口兩部分組成。

圖1 總體結構框圖Fig.1 Structure diagram of the data acquisition circuit

TMS320F28335核心板配有標準的JTAG接口、電源管理、自啟動設定、復位和時鐘等模塊；數據采集電路接口主要包括信號調理電路、數據轉換電路、控制電路及數據傳輸電路等幾部分組成。

2 數據采集電路實現

圖2給出了F28335和AD轉換芯片ADS805E的接口電路圖，該接口電路主要包括兩部分：一部分是控制電路，包括ADS805E工作模式設置、工作使能及時鐘信號信號的產生；另一部分是數據接口，主要是ADS805E轉換數據的采集傳輸。

2.1 F28335與ADS805E接口控制電路設計

ADS805E有內部的參考電壓輸出，動態范圍可設為2Vp-p到5Vp-p，工作使能信號及時鐘信號由F28335提供，這樣不僅能夠充分的利用F28335豐富的GPIO及片上外設資源，還能降低設計的復雜程度，縮減設計成本。

由圖2給出的接口電路中可以看出，ADS805E的SEL管腳接地，ADC的輸入范圍設置為0~5 V；VREF管腳和IN_管腳相連，采用內部的基準電壓2.5 V；VDRV引腳與3.3 V電源相連，提供輸出參考電平[5]；工作使能信號ADCSn由F28335的GPIO口輸出[6]；ADCLK由F28335的ePWM1產生并通過ePWM1A輸出作為ADA805的時鐘信號[7]。

圖2 數據采集接口電路Fig.2 Circuit of the data interface

2.2 F28335與ADS805E接口數據采集電路設計

2.3 AD時鐘信號及DMA同步信號產生

經過調理的前端信號由ADS805E進行轉換后以并行方式通過引腳進行輸出。在本文中，F28335由外部擴展接口Xintf連接ADS805E，并由DMA高速讀取AD轉換后的數據。DMA配置時，將BURSTSIZE配置為0，即單字節方式讀取轉換后的數據，能夠在保證高速讀取轉換數據的同時，保證數據的準確性。

由圖2中可以看出，B1-B12直接與F28335的Xintf外部擴展接口D11-D0相連，由于總線為16位傳輸方式，所以取低12位有效；進行AD轉換的同時，啟動DMA進行數據傳輸，能夠保持轉換和讀取的同步。

系統中采用F28335的片上外設ePWM產生AD轉換所需要的時鐘信號及DMA的同步信號。通過配置ePWM由ePWM1A產生占空比為50%且頻率為20MHz的時鐘作為ADC的采樣頻率；同時，由EPWM1SOCA產生與AD時鐘信號同頻反相的觸發源，作為DMA傳輸的同步信號。

使用DMA方式讀取AD轉換數據，不僅能夠有效降低CPU資源消耗，還能夠避免使用中斷的壓棧和出棧耗時。同時，通過該方式產生的DMA同步信號能夠高速準確的讀取數據，而且不再需要外部邏輯控制器件CPLD進行同步干預，有利于降低設計成本。

3 數據采集軟件設計

數據采集電路的軟件設計主要包括系統配置及數據采集兩部分。系統配置包括以下兩個部分：一是F28335自身片上外設的配置，主要包括工作頻率、PLL、定時器、Xintf、GPIO、ePWM、DMA以及中斷向量表等；二是ADS805E的配置，包括工作模式配置、工作使能以及采樣頻率。數據采集部分主要由DMA負責轉換數據的采集傳輸，CPU只負責數據處理及順逆流數據存儲區的切換工作。

圖3 所示為數據采集電路的軟件流程圖。首先，系統上電，完成初始化，包括F28335初始化和ADS805E初始化；然后，由GPIO口輸出ADS805E使能信號，啟動AD轉換進行數據轉換，同時啟動DMA讀取轉換后的數據；當順流數據讀取完畢后，DMA觸發中斷，由CPU切換超聲換能器的收發，再次啟動AD轉換和DMA，采集逆流數據。

圖3 數據采集電路的軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software design of the data acquisition circuit

在整個工作過程中，DMA與CPU并行工作。DMA主要負責轉換數據的搬移。DMA工作的同時，CPU進行數據處理工作及順逆流數據存儲區的切換工作。通過該方式，能夠有效的降低CPU的負載，同時提高系統的實時性。

4 數據采集測試結果

在該部分，通過采集中心頻率為1 MHz的超聲波信號回波對該數據采集電路進行測試。通過集成開發環境CCS進行硬件仿真，在中斷服務程序中設置斷點，由CCS的圖形觀察工具Graph觀察采集到的數據波形。測試中，F28335的工作頻率為150 MHz，ADS805E的采樣頻率為20 MHz，顯示緩沖區的大小為1 k。測試結果如圖4所示。

圖4 1MHz的超聲波信號波形Fig.4 Waves of 1MHz ultrasonic signal

圖4 為所采集到的頻率為1 MHz的超聲波信號波形，包括上半部分的順流信號波形和下半部分的逆流信號波形。從圖中可以看出，信號完整光滑，沒有明顯的突變現象，表明該數據采集電路的高性能，并且能夠完整的采集超聲回波波形，滿足超聲波流量計的設計需求。

5 結 論

文中針對超聲波信號的采集，設計了一種低成本的高速數據采集電路解決方案。該方案利用F28335較高的片上外設集成度，省卻了傳統高速數據采集系統中所需要的FIFO緩沖單元及CPLD邏輯控制單元，壓縮了設計成本；同時，采用DMA高速讀取轉換后的數據，能夠節省CPU資源，從而保證了系統的實時性。該電路最高采樣頻率可達20 MHz，能夠滿足超聲波流量計的設計需求。

[1]李利品.基于DSP的高精度超聲波流量控制系統[J].儀表技術與傳感器，2009（5）：132－133.LI Li-pin.High precision ultrasonic flux control system based on DSP[J].Instrument Technique and Sensor，2009（5）：132－133.

[2]劉士影，吳學杰，胡志群.基于DSP高速數據采集系統[J].工業控制計算機，2011，24（1）：65－66.LIU Shi-ying，WU Xue-jie，HU Zhi-qun.High-speed data acquisition system based on DSP[J].Industrial Control Computer，2011，24（1）：65－66.

[3]彭超.基于DSP的高速數據采集系統的研究[D].吉林：吉林大學，2009.

[4]蘇奎峰，鄧志東.TMS320x28xxx原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5]Texas Instruments Incorporated.12－Bit，20MHz Sampling Analog-To-Digital Converter[EB/OL].[2013－03－10].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads805.pdf.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，2823x System Control and Interrupts Reference Guide （Rev.D）[EB/OL].[2013－03－10]http：//www.ti.com/lit/ug/sprufb0d/sprufb0d.pdf.

[7]Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，2823x Enhanced Pulse Width Modulator（ePWM）Reference Guide（Rev.A）[EB/OL].[2013－03－10]http：//www.ti.com/lit/ug/sprug04a/sprug04a.pdf.