基于DSP的無線多通道數據采集系統設計

袁博 查晨東

摘 要：針對可穿戴裝甲裝備測試設備的數據采集功能需求，提出了一種基于TMS320F28335和ADS8557的無線多通道數據采集系統，可實現對炮控36路信號采集，采集數據通過藍牙無線傳輸給可穿戴主機，具有多通道、低功耗、便攜性特點。

關鍵詞：數據采集；DSP；模數轉換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.123

1 引言

數據采集系統廣泛應用于工業控制、設備監控、醫療衛生等領域[1]，利用傳感器技術能夠實現電壓、溫度、壓力、速度等多種物理數據的測量。DSP又稱為數字信號處理器，在體積、功耗與性能上都具有良好的性能，常應用于數據采集與處理中。本文采用德州儀器生產的TMS320F28335芯片和ADS8557模數轉換芯片，設計了一種應用于某型坦克炮控系統測試的多通道數據采集系統，在數據傳輸上面采用MS96SF1藍牙模塊[2]，該模塊支持藍牙4.2協議，能夠實現數據采集系統與可穿戴主機的無線數據傳輸的目的。

2 需求分析

多通道數據采集系統包含了測試資源分配，待測信號調理，信號的AD/DA轉換，測量數據傳輸等功能[3]。炮控系統測試資源較多，某型坦克炮控系統包含有炮控箱和操縱臺共有36路AD信號，數據采集系統通道數應能滿足測試資源需求。常用數據采集系統結構主要有以下兩種：

（1）同步數據采集系統。該方法常用于精密儀器控制和高速高精度采樣等場合中，能夠實現多路信號的同步采集功能，但難以做到對體積與成本的控制，功耗也相對較大。

（2）分時復用數據采集系統。該方法利用一組數據線對多通道數據進行循環采集，在同一時間點只有一路信號占用該通道。該方法在數據采集速率要求不高的場合具有易于設計、經濟高效的優勢。但也存在采集速率不高、無法得到同一時刻的多通道數據。

由于實際測試信號對同步采集需求不高，為降低硬件成本，減小數據采集系統體積，采用分時復用數據采集系統實現36路信號的循環采樣[4]。

3 硬件電路設計

現有測試系統主要利用電纜進行數據傳輸，適配器與測試部件、適配器與計算機都采用“航插-電纜-航插”的方式進行連接。為滿足可穿戴性需求，從裝甲測試的實際應用層面確立了數據采集系統硬件方案，大致可劃分為：DSP及外圍電路、電源模塊、A/D轉換模塊、信號調理模塊、無線通信模塊。系統硬件總體結構如圖1所示：

3.1 電源電路設計

電源電路是系統硬件設計中最為重要的部分，電源信號的穩定性和可靠性直接決定了系統能否正常穩定的運行。數據采集系統從裝備取26V電，各種器件工作電壓不同，需要對電源進行濾波、穩壓和轉換等操作。其中ADC芯片需要5V與模擬±15V電源，DSP芯片內部需要3.3V與1.9V電源供電，同時為了降低噪聲對模擬信號的干擾，需要將模擬地和數字地分來。將裝備26V電通過HZD05B系列電源模塊進行電壓轉換，該電源模塊額定輸出功率為5W，輸出電壓精度達±1%，具有過流和過壓保護功能。轉換電路如圖2所示：

采用雙輸出低壓差調壓器TPS767D301芯片將5V電源轉換為3.3V和1.9V電源，TPS767D3XX系列雙穩壓芯片主要應用于DSP芯片，可用于混合輸出電壓應用，每個穩壓器最高可支持1A電流。

3.2 ADC接口電路設計

ADS8557芯片是TI公司的一款高性能逐次逼近型低功耗模數轉換器、采用64引腳薄型四方扁平式封裝（LQFP），額定工作溫度為-40℃至125℃，具有硬件與軟件兩種工作模式。由于裝備信息采集需要周期性進行，采用硬件工作模式更為方便。ADS8557與F28335接口電路如圖所示：

需要注意的是，ADC內部含有模擬信號處理，為了提高模數轉換精度，防止模擬信號與數字信號互相干擾，需要對ADC與DSP信號接口進行隔離處理。

單片ADS8557具有六個模擬輸入通道，多數裝備通道信號變化較為緩慢，適合利用多路復用器進行分時采樣，這樣可以極大的減小數據采集設備的體積與成本。該多路復用器具有-40V-55V的過壓保護，先開后合式開關動作能夠防止通道發生瞬時短路情況。設計使用6片ADG508F，多通道分時復用電路結構如圖所示，經過信號調理的45路模擬信號進入多路復用的輸入端，DSP通過A0，A1，A2三個引腳控制多路選通，實現對多通道的分時復用采樣。

3.3 信號調理電路設計

ADS8557模擬通道輸入范圍在±12V，需要進行分壓處理，分壓比例由經驗信號值預先確定。為了防止信號異常燒壞器件加入保護電路，一旦輸入信號超過±10V，就從穩壓管流走。同時為了提高信號的測量精度和帶負載能力，加入電壓跟隨電路。信號調理電路如圖5所示：

4 軟件設計

數據采集系統的軟件設計主要包括DSP初始化、AD采集、數據通信等部分，軟件設計主要在CCS7.0的集成開發環境下調試完成的。軟件流程圖如圖6所示。

McBSP是TI公司DSP芯片中的多通道緩沖串行數據口，具有全雙工雙緩沖數據通信特點，支持SPI、I2C、IOM-2等數據傳輸協議。由于內部具有傳輸時鐘CLKX與幀同步信號FSR，可編程程度較高。需要注意的是SPCR寄存器中的RRDY位表示接受狀態，RRDY=1表示數據接受寄存器已準備好，數據發送后RRDY置0，等待新的數據傳入。

5 結束語

文中針對炮控系統信號采集，設計了一種可用于可穿戴檢測設備的數據采集系統。該方案通過分時復用擴展了采集通道，壓縮了設備成本與體積；同時以藍牙無線傳輸代替電纜，滿足了可穿戴測試設備對數據采集系統便攜性和易用性的設計需求。

參考文獻：

[1]吳宏超，劉治紅，吳躍.面向軍工裝備制造企業的生產現場數據采集與智能監控系統[J].兵工自動化，2017，36（01）：22-27.

[2]郝曉明，李杰，黃玉崗.基于ADS8568的八路數據采集系統設計[J].傳感技術學報，2016，29（01）：150-154.

[3]楊博，張加宏，李敏等.基于ARM的多通道數據采集系統[J].儀表技術與傳感器，2015（02）：104-107.

[4]蘇志剛，王翔，郝敬堂.基于時分復用技術的多源數據采集系統[J].計算機工程與設計，2014，35（10）：3404-3409.

作者簡介：袁博（1993-），男，河南西平人，碩士研究生，主要研究方向：可穿戴技術。