基于DSP的多通道數據采集系統設計

成曉煒，范濤

（西安石油大學電子工程學院，西安710065）

0 引言

在石油鉆井中，獲得精確的鉆具姿態信息（井斜角I、方位角A、工具面角T）是實現井下全角度導向鉆井的關鍵因素[1-2]。石油鉆井中使用測斜儀對井下鉆具姿態參數進行測量，受機械制造、加工，以及傳感器安裝等工藝水平的影響，實際上測斜儀各軸與理想坐標系各軸并不重合，即存在位置誤差。位置誤差引起的井斜角測量誤差可達30%，嚴重影響鉆具姿態測量的精確性。在如今石油鉆井中，井上工作人員需要對井下的工況進行實時的掌握，這就需要對井下鉆具的姿態信息，溫度等信息進行實時的采集。早期采用單片機對井下各種參數進行數據的采集，但其外設硬件電路設計復雜、數據處理能力不強、運算速度慢，因此并不適合如今的設計[3-4]。

針對以上問題，系統選用TMS320F2812作為核心控制器。這款DSP芯片硬件支持32位定點數快速運算、代碼編寫簡單、精度高、算法移植性好，具備ADC、SPI、SCI等豐富功能外設，可簡化硬件電路的設計難度。本系統使用ADI公司生產的模數轉換芯片AD7606進行數據的采集，AD7606是一款16位8通道的雙極性同步采樣SAR ADC，具有片內過壓保護功能，可簡化信號調理電路，降低成本。

1 硬件結構及引腳功能介紹

1.1 主控芯片TMS320F2812介紹

系統采用TI公司生產的TMS320F2812型DSP為系統主控芯片，其為32位定點微控制處理器，主頻高達150MHz，芯片內核采用1.9V直流電源供電，外設引腳采用3.3V直流電源供電，其外設硬件電路主要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路、TATG仿真接口電路等，并且具備SPI、SCI、CAN 等總線接口，體積小，性能強，外設集成度高，同時對于不同的工作環境擁有不同溫度級別的芯片，可適用于多種控制類工業設備。

1.2 A/D轉換芯片

本設計采用16位8通道AD7606，片內集成輸入放大器、過壓保護電路、二階模擬抗混疊濾波器、模擬多路復用器、2.5V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606采用單電源5V供電，可以對±5V和±10V真雙極性輸入信號，同時所有通道均能以高達200KSPS的吞吐速率采樣。AD7606共有64個引腳，除去供電與接地的部分引腳外，

DB0～DB15引腳表示并行數據輸出位，用來傳輸AD轉換得到的數據，是ADC與控制器之間進行數據通信的通道。REFIN/REFOUT引腳表示基準電壓輸入/輸出，如果此引腳置高時，將提供2.5V片內基準電壓供外部使用；置低時，可以將外部的2.5V基準電壓供給AD使用[5]。

1.3 硬件結構設計

系統總體硬件設計如下圖所示，主要包括DSP的最小系統和AD采樣模塊電路。DSP最小系統包括由TPS767D301組成的芯片供電電路、時鐘電路、復位電路、JATG仿真接口電路。AD模塊主要是將傳感器采集到的信號經過數字濾波后傳到AD7606進行數據的模數轉換，AD采樣值為±10V。為提高系統的數據采集精度，系統采用ADR421基準電壓芯片為ADC提供基準電壓，ADC將采集到的信號通過DB0～DB15引腳與DSP的外部接口XINTF連接進行數據的通信。

圖1 系統結構圖

2 軟件設計

系統軟件部分采用模塊化編程，系統控制程序主要由主程序、XINTF子程序、定時器中斷子程序、AD7606初始化程序等組成。系統主程序如圖2所示，主要負責DSP系統的初始化，包括時鐘初始化、中斷初始化、初始化系統等任務[6]。

圖2 系統主程序流程圖

XINTF子程序主要完成的是AD7606與DSP芯片之間的數據通信。TMS320F2812的外部接口XINTF采用非復用異步總線，通常用來擴展SRAM、ADC等模塊。XINTF接口是DSP2812與外部設備進行通信的重要接口，這些接口與DSP片內的存儲空間相互對應，當ADC與DSP通信時，DSP處理器通過對存儲空間進行讀/寫操作，從而控制外部接口，在使用XINTF與AD7606進行通信時，無論是讀操作還是寫操作，DSP都作為主設備，外部設備作為從設備，ADC不能控制F2812的外部接口信號線，只能讀取、判斷信號線的狀態，來進行數據的傳輸。

定時器中斷子程序用來提供一個中斷信號，用來啟動ADC模塊，通過查閱AD7606的數據手冊，配合ADC時序圖，中斷子程序可以更加快速地進行ADC模塊的啟動與運行。

ADC初始程序主要功能在于DSP對于ADC芯片的控制，DSP提供控制信號，用來進行ADC的啟動、數據傳輸、時序控制等，其部分程序如下所示：

interrupt void cpu_timer0_isr（void）

SET_ADCLK;//啟動轉換信號

DELAY_US（1）;//給予適當的電平延時

CLR_ADCLK;

DELAY_US（1）;

while（AD_BUSY）//等待轉換結束

for（i=0;i＜8;i++）

DOUT[i]=AD7656_BASIC;//讀取 8路 AD通道數據

conv_flg=1;

EALLOW;//確認此中斷以從組1接收更多中斷

PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1;

EDIS;}

3 系統性能測試

為了驗證該數據采集系統的可行性，對其進行性能測試，輸入信號為Keithley 2280S-32-6高精度測量直流電源給出，測量值由AD采樣模塊通過數據采集經過數據重建得到，由表1可以看出該數據采集系統的誤差值在0.01V以下，而DSP2812內部的12位AD采樣模塊采樣精度在0.1V，可見此數據采集系統的精度要比利用單片機內部采樣模塊精度提高十倍以上。

表1 AD采樣結果測試

4 結語

本文描述了以16位AD采樣芯片AD7606和TI公司TMS320F2812型DSP分別為采樣芯片和控制芯片的數據采集系統的設計，給出了AD7606以及DSP硬件連接方案，同時提出了軟件編程的基本框架。目前該軟硬件設計方案已經運用在具體數據采集實驗測試當中，8通道的數據采集可以實現井下工況的多種信號同時測量，具有實際的使用和參考作用。