基于數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)

劉松斌 王夢謙

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

基于數(shù)字信號處理器的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)

劉松斌 王夢謙

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

以TMS320F2812芯片為核心處理器，自主設(shè)計制作數(shù)字信號處理器開發(fā)板，實現(xiàn)了對多路模擬信號的采集。提出以CCS與Matlab聯(lián)合開發(fā)方式建立數(shù)字信號處理模型對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波分析，最終將采樣數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號處理器的SPI串行通信接口傳輸?shù)揭壕э@示屏實現(xiàn)液晶同步顯示。系統(tǒng)測試時，采用信號發(fā)生器產(chǎn)生不同幅值與頻率的正弦交流信號分別輸入到各采樣通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實驗表明：系統(tǒng)能實現(xiàn)對被測量數(shù)據(jù)的精確采集和同步顯示，交流模擬量最大采樣誤差可保證在1%以內(nèi)。

數(shù)字信號處理器 TMS320F2812 數(shù)字濾波 SPI 同步顯示

隨著信息科技的快速發(fā)展和自動化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)越來越多地運用到微機(jī)控制系統(tǒng)中[1]。數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)具有靈活性好、精度高、可靠性強(qiáng)及速度快等特點，完全能夠符合一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度要求。因此，已在工業(yè)控制、圖像處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。筆者以32位定點DSP芯片TMS320F2812為核心自主設(shè)計制作DSP開發(fā)板，集成ADC轉(zhuǎn)換、SPI串行通信等模塊，降低了系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)成本。通過SPI接口與液晶顯示器的串行通信方式完成數(shù)據(jù)的同步傳輸，液晶顯示器完成數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的直觀性。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計①

1.1 DSP處理器系統(tǒng)

完整的處理器系統(tǒng)是以TMS320F2812芯片為核心的最小系統(tǒng)。電源產(chǎn)生模塊為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定的工作電壓，保障系統(tǒng)的安全運行。ADC轉(zhuǎn)換模塊和SPI串行通信模塊分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和傳輸。考慮到DSP的邏輯電壓為3.3V，引腳帶負(fù)載能力較弱，為了增強(qiáng)PWM/GPIO端口的驅(qū)動性能，采用74HC245芯片提高其帶負(fù)載能力[3]。另外，處理器系統(tǒng)中還需要設(shè)計合適的復(fù)位電路和JTAG下載接口電路。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 DSP處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2ADC轉(zhuǎn)換模塊校正

TMS320F2812DSP的ADC轉(zhuǎn)換模塊是12位的，理論采樣精度很高，但根據(jù)工程經(jīng)驗來看，其采樣精度只能達(dá)到9位，約為0.2%。而且在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于受到溫度、環(huán)境等因素的影響，ADC模塊的精度會出現(xiàn)明顯的下降，采樣值與實際值之間出現(xiàn)較大的誤差，甚至達(dá)到20%，ADC轉(zhuǎn)換模塊誤差主要是由增益誤差和偏移誤差造成的[4]。如圖2所示，理想的轉(zhuǎn)換曲線是一條經(jīng)過原點的以m為增益的直線，而實際的轉(zhuǎn)換曲線的增益為M，偏移量為b，數(shù)字輸出量y與模擬輸入量x之間的關(guān)系為y=M×x+b。根據(jù)兩個坐標(biāo)數(shù)據(jù)即可求出未知參數(shù)增益M和偏移量b。

圖2 ADC模塊的轉(zhuǎn)換特性曲線

將通過兩路基準(zhǔn)電源VREFA和VREFB分別提供給ADC轉(zhuǎn)換模塊的兩路采樣通道ADCINA0和ADCINB0進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，兩路精準(zhǔn)電源分別作為模擬量輸入x1和x2，轉(zhuǎn)換結(jié)果為數(shù)字輸出量y1和y2，這樣就可以計算出轉(zhuǎn)換曲線的實際增益M和偏移量b：

(1)

基準(zhǔn)電壓VREFA和VREFB是將穩(wěn)壓電源TL431的輸出電壓Vout經(jīng)電阻分壓后得到的。根據(jù)電路原理(圖3)，可以得出：

圖3 參考電壓生成電路

1.3DSP開發(fā)板和液晶顯示模塊

在原理圖的基礎(chǔ)上生成PCB圖并完成DSP開發(fā)板的制作。

系統(tǒng)選用OCMJ8X15D字符型液晶顯示屏，通過DSP的SPI串行接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[5]。液晶顯示屏要求數(shù)據(jù)并行輸入，需要通過移位器74HC595芯片完成數(shù)據(jù)的傳送。

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

DSP處理器是在CCS軟件中進(jìn)行基本的配置和編程的，需要在此軟件下進(jìn)行環(huán)境配置、源程序編輯、源程序鏈接、源程序調(diào)試及運行結(jié)果分析等操作[6]。

2.1數(shù)字濾波軟件

在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，所面臨的數(shù)據(jù)采集對象往往是與電網(wǎng)相匹配的正弦交流信號。采用CCS與Matlab聯(lián)合開發(fā)設(shè)計數(shù)字濾波器[7]。設(shè)置通帶截止頻率為50Hz，阻帶截止頻率為100Hz；通帶紋波和阻帶紋波為0.01dB；調(diào)整DSP定時器參數(shù)，將采樣頻率設(shè)置為1kHz，利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器。

Kaiser窗設(shè)計如下(設(shè)置δ=0.01)：

A=-20log10δ=-20log100.1=40

β=0.5842(40-21)0.4+0.07886(40-21)=3.3953

根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)參數(shù)在Matlab命令窗口中輸入指令：b=firl(30,0.15,’low’,Kaiser(31,3.3953))，即可得出各階濾波器的參數(shù)。設(shè)計數(shù)字濾波器的幅頻和相頻特性曲線如圖4所示。

圖4 濾波器幅頻、相頻特性

2.2系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序設(shè)計是對各個功能程序模塊的整合[8]。完成系統(tǒng)初始化設(shè)置之后進(jìn)入主函數(shù)部分，并在主函數(shù)中進(jìn)入循環(huán)，等待中斷，中斷發(fā)生后進(jìn)入中斷處理環(huán)節(jié)，在此階段需要DSP完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)濾波處理、數(shù)據(jù)傳輸和中斷復(fù)位。圖5所示為主程序流程。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

3 實驗驗證

在完成系統(tǒng)設(shè)計后，筆者以信號發(fā)生器作為信號源，產(chǎn)生正弦交流信號輸入到DSP采樣通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 實驗結(jié)果

實驗表明，所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)能夠精確地采集到被測量并實現(xiàn)動態(tài)顯示。數(shù)據(jù)采集精度在1%以內(nèi)。

4 結(jié)束語

設(shè)計的以TMS320F2812芯片為核心的DSP處理器，憑借其高速數(shù)據(jù)處理能力，能夠完成數(shù)據(jù)的快速采集、分析處理、同步通信，驅(qū)動液晶顯示屏完成數(shù)據(jù)動態(tài)顯示。自主設(shè)計制作驅(qū)動控制模塊，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了設(shè)計成本，避免了處理器模塊的資源浪費，具有一定的應(yīng)用價值。

[1] 潘育山，張貴冰.基于DSP的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2012，(6)：54～55.

[2] 曹夢婷.基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集及數(shù)字濾波[D].太原：中北大學(xué)，2008.

[3] 艾紅，鄧大偉，唐斌.基于DSP的智能儀表系統(tǒng)設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2012，39(1)：99～102.

[4] 顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5] 葉軍，于霞.基于DSP的液晶顯示時鐘的設(shè)計與實現(xiàn)[J].液晶與顯示，2009，24(5)：713～717.

[6] 王宇飛，張勛，丁雪興.基于頻譜分析的離心泵故障診斷[J].化工機(jī)械，2015，42(6)：854～856.

[7] 肖春華，李秀紅，孫忠富，等.嵌入式無線遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2007，23(11)：4～6.

[8] 蘭吉昌.TMS320F2812DSP應(yīng)用實例精講[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

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1000-3932(2016)10-1113-03

2016-08-16(修改稿)