16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集中的電路設計

張笑彰 高博男

【摘要】? ? 針對煤巖聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)需求，采用定點DSP芯片TMS320VC5509A設計具有24位分辨率的數(shù)據(jù)采集電路，控制接口采用12C接口擴展I/O方式實現(xiàn)，以幀同步方式實現(xiàn)，采用菊花鏈方式級聯(lián)，數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡單，低功耗等特點，應用于研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)中。

【關鍵詞】? ? DSP? ? 聲發(fā)射? ? 電路設計

煤巖聲發(fā)射檢測是公認的有發(fā)展前途的連續(xù)預測煤礦動力災害的方法，國內(nèi)已有多套國產(chǎn)系統(tǒng)投運，煤巖聲發(fā)射信號采集是監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動態(tài)范圍，國內(nèi)已有多家單位進行相關研究工作，熊慶國等研制出便于攜帶的單聲通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀，周鳳星等設計出能同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號的聲發(fā)射數(shù)據(jù)集站。王繼強等分別設計了8通道的微震實時監(jiān)測系統(tǒng)。隨著處理器的性能不斷改善，更多通道的煤巖聲發(fā)射信號采集成為可能。TMS320VC5509A是一款低功耗，16位定點DSP處理器，具有豐富的外設，ADS1278的一款工業(yè)級的24文分辨率同步A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率最高達144ksps，實現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集，本文以TMS320VC5509A為核心，擴展了2片AD1278，實現(xiàn)16通道同步數(shù)據(jù)采集。

一、數(shù)據(jù)采集電路原理

數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)工作原理是，TMS320VC5509A首先完成自身資源的配置，通過I2C總線配置I/O狀態(tài)，準備工作完成后VC5509A發(fā)出同步轉(zhuǎn)換脈沖，傳感器采集煤巖聲發(fā)射信號經(jīng)預處理后送入ADS1278進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)送入VC5509A的McBSP端口。

由數(shù)據(jù)采集電路原理可知，VC5509A接口是設計的核心，接口電路按功能分為控制與數(shù)據(jù)接口，控制接口用于設置ADS1278工作模式。數(shù)據(jù)接口用于傳輸ADS1278采集數(shù)據(jù)。

二、數(shù)據(jù)采集電路硬件實現(xiàn)

ADS1278工作模式與通道使能是通過引腳設定，每篇需設置引腳14個。如I/O口完成配置會造成很大的資源浪費，通過I2C控制器掛載兩片PCA935完成配置。

3位撥碼開關用于設置PCA955的I2C地址，MODE用于設置工作模式，CLKDIV用于設置時鐘是否減半，對應的I/O口寫入低電平時，指示燈電量。觀察配置是否成功。

ADS1278轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)以串行方式通過引腳輸出，通過VC5509A的McBSP外設接口接受轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，支持SPI與幀同步協(xié)議，幀同步模式擁有更快的傳輸速度。VC5509A與ADS1278采用幀同步協(xié)議數(shù)據(jù)接口電路，以菊花鏈方式級聯(lián)，DOUT1連接到U2的DIN輸入，連到VC5509A的DRI引腳，U2和U3擁有相同的SCLK，F(xiàn)SYNC控制信號。

穩(wěn)定的電源是實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集的必要保障，數(shù)據(jù)采集電路包含ADS1278的1.8V內(nèi)核電源等典型電源，5V模擬電源通過LM7805線性穩(wěn)壓得到，1.8V數(shù)字電源通過高電源抑制比電源芯片TPS73018獲得。基準電路在高精度數(shù)據(jù)采集電路設計中非常重要，會直接影響采集電路的精度，采用低噪聲，高精度的電壓基準芯片為ADS1278提供參考電壓，在將基準信號送入ADS1278前添加一級調(diào)理電路阻抗匹配，使REF5025輸出性能達到最佳。

三、數(shù)據(jù)采集地層軟件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集電路地層軟件實現(xiàn)包括配置與數(shù)據(jù)采集，配置分為對VC5509A初始化，包括CSL庫，GPIO，定時器，DMA等，對ADS1278參數(shù)的設置包括通道開啟情況等，數(shù)據(jù)采集工作主要由DMA完成，CPU僅負責緩沖區(qū)等操作。

系統(tǒng)上電后首先完成初始化工作，進入中斷等待狀態(tài)，由DMA采集數(shù)據(jù)，DMA存滿緩沖區(qū)后觸發(fā)中斷。CPU進行數(shù)據(jù)處理等操作返回等待下次中斷。DMA與CPU并行工作，DMA專門負責存儲數(shù)據(jù)，CPU負責切換緩沖區(qū)，CPU與DMS操作不同的緩沖區(qū)，CPU處理緩沖區(qū)1數(shù)據(jù)。DMA與CPU實現(xiàn)乒乓切換操作，使DSP發(fā)揮最佳性能。

數(shù)據(jù)采集電路通道多，選取兩組典型通道測試同一信號，通過Graph工具調(diào)取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)顯示采集信號波形，測試中設置ADS1278采樣頻率為9375Hz，橫坐標為換算后的時間信息，縱坐標為A/D的實際數(shù)值。圖中測試信號頻率為100Hz，兩通道采集信號波形一致，說明兩通道采樣同步性，通道3信號頻率為200Hz，通道9信號頻率為300Hz，通道9信號頻率為通道3 的1.5倍，說明通道采集不同信號正確性。兩圖中信號連續(xù)光滑，說明采集電路的高性能。

結(jié)語：本文針對煤巖聲發(fā)射信號采集提出大動態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集電路解決方案，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集，可靈活開啟各通道等，采用數(shù)據(jù)采集電路方案，實現(xiàn)更多通道數(shù)據(jù)同步采集，數(shù)據(jù)采集電路可擴展通道數(shù)會受到工作模式的制約。