基于DSP的二維PSD信號采集裝置設計

葛 亞， 顧金良， 夏 言， 羅紅娥

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

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基于DSP的二維PSD信號采集裝置設計

葛 亞， 顧金良， 夏 言， 羅紅娥

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

基于數字信號處理器(DSP)，設計了一種信號采集裝置，實現了對位置敏感探測器(PSD)信號的處理。選用TMS320F2812(簡稱F2812)作為主處理器，利用F2812內部的A/D轉換模塊，完成對目標信號的采集工作。經過數字信號處理，將數字信號轉換為位置坐標信號，最后通過異步串口通信(SCI)傳輸至上位機。實驗證明：裝置具有很高的可靠性，具有高速數據采集處理功能。

TMS320F2812; 串行通信; 數據采集; 同步采樣

0 引 言

位置敏感探測器(PSD)是一種基于橫向光電效應的對其光敏面上光電位置敏感的光電位置傳感器[1]，可以直接將作用在其光敏面上的光點位置信號轉換成與其相對應的電信號的非分割、非掃描型位置敏感探測器件[2]。由于PSD具有響應速度快、分辨率高、線性度良好、可連續測量等特點，在位置坐標的精確測量、方向探測、激光準直等方面，具有廣泛的應用價值[1]。

數字信號處理器(DSP)是一種運算速度快、處理功能強且內存容量大的單片微處理器[3]。F2812內部具有12位以及16路的A/D轉換模塊。該模塊的時鐘頻率最高配置為25 MHz,采樣頻率最高12.5 MSPS。利用F2812作為處理器對PSD信號進行數據采集和處理，可以使結構設計簡單，成本低，開發周期短。

1 二維PSD的工作原理

當激光照射到PSD光敏面上的某點時，對應的輸出電極X1，X2，Y1，Y2分別輸出光電流I1，I2，I3，I4，L為PSD光敏面的長度，通過對4路電流信號的采集，可以計算出入射光對應的坐標位置。入射光點的位置坐標計算公式[4，5]，如式(1)所示

(1)

2 數據采集系統的硬件設計

2.1 組成與結構

信號采集裝置由TMS320F2812、模擬信號調理電路、串口通信接口電路組成。PSD輸出的電流信號，經過I/V轉換放大后，輸入到F2812內部的A/D數據采集模塊，A/D轉換器將模擬信號轉換成數字電壓信號，再通過數據處理，計算得到激光光斑的重心在光敏面上的坐標位置。最后經過異步串口通信，將光斑的坐標位置實時顯示在PC界面中。DSP的輸入/輸出電平為TTL電平，即UART串口，這與上位機的RS—232標準串行接口的電氣規范不一致，因此，數據通信時必須進行電平轉換[6，7]，如圖1。

2.2 電源設計

F2812對電源很敏感，當輸入電壓超過5V時，就會對DSP造成損害，所以選擇電壓精度比較高的TPS767D301。該芯片輸入電壓為+5 V，正常工作后，能夠產生3.3 V和1.8 V兩種電壓供DSP使用。電源可由外部電源輸入。電源電路如圖2所示。

圖1 系統結構框圖

圖2 DSP工作電源

2.3 模擬信號的預處理電路設計

PSD輸出的電流只有μA量級，而AD模塊的輸入電壓范圍為0～3 V,因此,在設計I/V轉換電路，選擇運算放大器時，不僅要考慮到放大器的放大倍數，而且要考慮放大器本身的偏置電流、零漂，減少由元器件帶來的測量誤差。這里采用4通道放大器OPA4131。OPA4131的供電電壓為±4.5～±18 V，轉換速率為10 V/μs，參考電壓2.5 V，具有很低的失調電壓。

由集成運算放大器的“虛短”和“虛斷”原理：定義放大倍數為Auo;OPA4131端口2電壓為Vin-，電流為I1;端口3電壓為Vin+;端口1為放大器的輸出端，其輸出電壓為Vout。則有

Vin-=Vin+=0

(2)

Iout=Iin=I1

(3)

3 數據采集系統的軟件設計

3.1 數據采集和處理

采用順序采樣模式，利用事件管理器(EVA),設定采集頻率,啟動ADC模塊進行信號采集[8]。得到的轉換結果為數字值，并且存放在ADC轉換結果緩沖寄存器里，輸入模擬電平的數字值為

(4)

式中 ADCLO為A/D轉換器低電壓參考值，通常接地。

圖4 A/D初始化、中斷采集數據流程

3.2 異步串口通信

DSP和PC進行串口通信時，利用SCIA模塊和SCIB模塊實現，因此，需要對其進行初始化，通信數據格式波特率為19 200，8位數據位，無極性校驗，1位停止位，選擇空閑線模式。使能SCIA FFIO和SCIB FFIO的發送中斷和接收中斷。

程序的基本步驟如下:

1)系統控制寄存器初始化，分配時鐘。

2)AD模塊初始化，設定單序列發生器、順序采樣、決定采樣通道的順序。

3)初始化EVA 通用定時器T1模塊，采樣頻率設定為10 kHZ,則T1的周期為0.1 ms。

4)GPIO模塊的初始化，將SCI的接收引腳和發送引腳設定為功能引腳。

5)SCI模塊初始化，設定波特率和數據位，并且使能SCI FIFO模式。

6)啟動定時器T1計數等到中期中斷時啟動ADC轉換，進入ADC中斷。

7)SCI等待接收數據，當接收標志位置1時，SCI數據寫入接收FIFO。當發送標志位置位時，讀取FIFO中的數據，然后進入發送中斷，將數據傳輸到PC機。

主程序代碼如下:

void main(void) ∥系統初始化

{

intm,n;

InitSysCtrl();

DINT;

IER=0x0000;

IFR=0x0000;

InitPieCtrl();

InitPieVectTable();

InitGpio();

InitPeripherals();

for(m=0;m<2;m++)

{

for(n=0;n<8;n++)

{buffer[m][n]=0;}

}

adclo=0；flag=0;

send_flaga=0;send_flagb=0;

PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx6=1;

PieCtrl.PIEIER2.bit.INTx4=1;

EINT;ERTM;

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1;

for(;;)

{}

}

voidInitEv(void) ∥初始化EVA通用定時器T1

{

EvaRegs.T1CON.all=0x1100;

EvaRegs.GPTCONA.bit.T1TOADC=2;

EvaRegs.EVAIMRA.bit.T1PINT=1;

EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1PINT=1;EvaRegs.T1PR=0XEA5;

EvaRegs.T1CNT=0;

}

voidInitGpio(void) ∥GPIO初始化

{

EALLOW;

GpioMuxRegs.GPFMUX.all=0x0030;

GpioMuxRegs.GPGMUX.all=0x0030;

EDIS;

}

voidInitSci(void) ∥SCI初始化

{

SciaRegs.SCICCR.all=0x07;

SciaRegs.SCICTL1.all=0x02;

SciaRegs.SCIHBAUD=0;

SciaRegs.SCILBAUD=0xF3;

SciaRegs.SCICTL2.all=0x02;

SciaRegs.SCIFFTX.all=0x6020;

SciaRegs.SCIFFCT.bit.FFTXDLY=4;

SciaRegs.SCIFFRX.all=0x6068;

SciaRegs.SCICTL1.bit.SWRESET=1;

}

4 實驗與數據分析

將4路模擬電壓信號分別輸入到對應的AD模塊的采集通道中，從而得到相應的數字量，繪制出輸入量與輸出量對應的函數曲線。圖5為PSD沿X軸方向移動產生的電壓值與對應的數字量的關系曲線。

圖5 輸入輸出曲線

由式(1)計算得到入射光斑質心的坐標，通過異步串口通信，將坐標實時顯示在PC機上。

圖6 光斑坐標顯示

實驗數據分析:

1)由于PSD的背景光和暗電流的存在，實際上采集到的信號，是有用信號和干擾信號的疊加，從而造成了測量誤差。

2)F2812內部的AD模塊存在增益誤差和失調誤差，但由于AD模塊的轉換特性是線性的，因此，可以通過線性校正進行補償，從而提高轉換精度。

3)在A/D轉換結束后，由于數值以數字量形式存放在相應的結果寄存器中，將導致小數點后面的數字位被舍去，也會對實驗數據的采集造成誤差。

5 結 論

基于F2812設計的數據采集系統，能夠完成對輸入PSD模擬電壓信號的采集，并把采集的數據發送給上位機。選用了高性能的DSP芯片，裝置具有體積小、速度快、處理能力強、可靠性高以及功耗低等許多優點。設計方案可以應用于其他各種數據采集系統中[9]。

[1] 史 狄,孫利群.基于TMS320F2812的二維PSD信號處理系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2013(4):35-40.

[2] 徐偉龍,顧金良.基于PSD及激光器的空間基準系統研究[J].計算機測量與控制，2015,23(4):1378-1380.

[3] 楊夢雯,李寶明.基于DSP的圖像去霧算法優化方法[J].傳感器與微系統,2016,35(6):136-138.

[4] 唐九耀,黃梅珍.二維PSD的結構和性能分析[J].功能材料與器件學報,2000,6(3):301-304.

[5] 陳繼華,張基明,呂運朋.基于PSD的準直激光線位置檢測裝置設計[J].測控技術,2012,31(10):8-11.

[6] 左麗霞,鄧芳芳,盧 山.基于DSP的高速數據采集系統設計與實現[J].繼電器,2010,38(13):108-112.

[7] 高利兵.基于TMS320F2812的信號處理系統的設計[J].石油儀器,2010,24(6): 69-70,73.

[8] 肖棟林,吳 賓.基于雙通道異步采樣的震動傳感器測量方法[J].傳感器與微系統,2016,35(1):146-147.

[9] 徐 佩.高性能DSP芯片TMS320F2812應用技術研究[J].航空計算技術,2007,37(5):86-88.

Design of 2D PSD signal acquisition device based on DSP

GE Ya， GU Jin-liang， XIA Yan， LUO Hong-e

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094,China)

Based on digital signal processor(DSP),a signal acquisition system is designed which implement PSD signal processing.Choose TMS320F2812(hereinafter referred to as F2812)as the main processor,which use F2812 internal ADC conversion module,complete target signal acquisition.Through digital signal processing,convert digital signals to position coordinates signals.Asynchronous serial port communication(SCI)is used to transmit to a PC.Through experiment,it is proved that this device has high reliability,and has function of high speed data acquisition and processing.

TMS320F2812； serial communication； data acquisition； simultaneous sampling

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0086—03

2016—07—18

TP 202

A

1000—9787(2017)07—0086—03

葛 亞(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為測試與計量，E—mail:415742879@qq.com。