引 言

　　數(shù)據(jù)采集是DSP最基本的應(yīng)用領(lǐng)域，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片,。該芯片的主要特點(diǎn)有：150 MI/s（百萬(wàn)條指令/秒）的執(zhí)行速度使得指令周期減小到6.67ns,，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；采用哈佛總線結(jié)構(gòu),，具有高性能的32位的CPU,，在一個(gè)周期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)32位×32位或兩個(gè)16位×16位的乘法累加操作，具有快速中斷響應(yīng)與處理能力,；TMS320F2812應(yīng)用大量外設(shè)接口簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),；提供了足夠的處理能力，使一些復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制算法的應(yīng)用成為可能,。

　　USB是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的一種高速通用串行總線協(xié)議,。本文利用Philips公司的PDIUSBD12芯片。將USB協(xié)議應(yīng)用于以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng),，可以大大提高DSP系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信能力,，從而拓寬DSP的應(yīng)用范圍。本文利用DSP和USB設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，符合三維感應(yīng)測(cè)井多通道數(shù)據(jù)采集的需要,。

　　數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括DSP,、前置放大電路,、信號(hào)調(diào)理電路、USB通訊接口,，由于三維感應(yīng)測(cè)井有3個(gè)Z軸向接收線圈和7組三分量接收線圈構(gòu)成,，所以采用了7組多路開(kāi)關(guān)。在一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器是采集系統(tǒng)的核心,。在基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，選用了芯片嵌入式的ADC模塊。

圖1 三維感應(yīng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　信號(hào)調(diào)理電路

　　由于本采集系統(tǒng)用于三維感應(yīng)測(cè)井中,，它對(duì)信號(hào)采集的精度要求高,，因?yàn)楸徊尚盘?hào)頻率較高，采樣通道多,，所以結(jié)果分析對(duì)原始數(shù)據(jù)的依賴性強(qiáng),。本設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路分為前置放大器、帶通濾波器,、程控增益放大器,、陷波器四部分。

　　前置放大器設(shè)計(jì)

　　前置放大器的噪聲系數(shù)對(duì)整個(gè)采集系統(tǒng)的噪聲特性具有重要的影響,。因?yàn)樗a(chǎn)生的噪聲會(huì)被后續(xù)各級(jí)放大器逐級(jí)放大,，所以在選擇放大器時(shí)低噪聲指標(biāo)非常重要。在研制低噪聲放大器時(shí),，應(yīng)該抓住低噪聲這個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)分析,、計(jì)算并設(shè)計(jì)電路。目前,，可用噪聲指標(biāo)比較好的集成電路來(lái)設(shè)計(jì)低噪聲放大電路,。

　　由于測(cè)井時(shí)被采信號(hào)一般為微伏級(jí)，因此本設(shè)計(jì)采用INA128儀用差分放大器,，它的最大輸入失調(diào)電壓為50μV,，溫度系數(shù)為0.5μV/℃，最大輸入失調(diào)電流為5nA,，同時(shí)還有很寬的電源電壓范圍,，可以在±2.25V到±18V的供電電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。電壓增益可以通過(guò)外接電阻改變,，在1腳和8腳之間外接不同的電阻R,，電壓增益可以在0-10000的范圍內(nèi)變化，其計(jì)算公式為,。當(dāng)電壓增益大于100時(shí),，INA128的輸入共模抑制比達(dá)到120dB，對(duì)輸入信號(hào)的共模干擾起到了很好的抑制作用,。

　　用MAX267 設(shè)計(jì)帶通濾波器

　　在三維感應(yīng)測(cè)井中所設(shè)定的有用信號(hào)的帶寬為20kHz到250kHz,，因此選用MAX267設(shè)計(jì)一種帶通增益放大器。MAX267內(nèi)部含有2個(gè)獨(dú)立的二階開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器,，它有12個(gè)可編程輸入端,，其中F0~F4為濾波器中心頻率設(shè)置輸入端,，分別接低電平或高電平，可以將中心頻率設(shè)置為時(shí)鐘頻率的1/10,，另外Q0~Q6為品質(zhì)因數(shù)設(shè)置輸入端,，分別接低電平或高電平，可以在0.5~64 之間設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù),。因此,，不需要外加任何元件，而僅需外部時(shí)鐘就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能,，使用極為方便,。帶通特性曲線如圖2所示。

圖2 帶通特性曲線

　　其傳遞函數(shù) G(S)為：

　　在上式中,，HOPB是ω=ω0時(shí)的輸出帶寬值,，且ω0 =2πf。

　　fL和fH分別為：

　　其中

　　程控增益放大器設(shè)計(jì)

　　程控放大器是在DSP的控制下,，將初級(jí)放大的信號(hào)放大到ADC的轉(zhuǎn)化區(qū)間內(nèi),，以提高儀器的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度?？紤]到器件的低頻噪聲特性和提高共模抑制比等因素,，選擇了PGA204,、PGA205組合,，其共模抑制最高可達(dá)120dB。本設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)程控反向差分的方法,，并且兩級(jí)程控放大采用直接耦合差動(dòng)連接的方式,。原理如圖3示。

圖3 兩級(jí)程控放大級(jí)聯(lián)原理圖

　　其中兩個(gè)級(jí)聯(lián)的第一級(jí)程控差分放大器由兩片PGA205實(shí)現(xiàn),，兩片PGA205的輸出分別作為PGA204的正負(fù)輸入端,，于是就構(gòu)成了第二級(jí)程控差分放大器。PGA204的可控放大倍數(shù)為1,，10,，100，1000,；PGA205的可控放大倍數(shù)為1,，2，4,，8,。所以，級(jí)聯(lián)后程控放大部分的可控放大倍數(shù)可有16種組合方式,。

　　陷波器設(shè)計(jì)

　　50Hz的工頻干擾是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可避免的,，它會(huì)嚴(yán)重影響到前方和主放的穩(wěn)定性,。所以此處利用高性能器件MC33171構(gòu)成50Hz陷波器，MC33171具有寬頻帶和較高的轉(zhuǎn)換速率,。圖4為基于MC33171的50Hz陷波器電路,，在圖示的元件數(shù)值下，通過(guò)改變兩個(gè)電阻R的值和一個(gè)電容C的值,，可獲得陷波頻率,，其數(shù)值為：f=1/4πRC。取R=16K,，C=0.1μF可得陷波頻率為50Hz,。

圖4 陷波器電路 

　　A/D采樣設(shè)計(jì)

　　TMS320F2812的ADC模塊

　　TMS320F2812芯片中集成了一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換模塊。為了滿足系統(tǒng)多傳感器的需求,，F(xiàn)2812的A/D轉(zhuǎn)換模塊有16個(gè)通道,，可配置為兩個(gè)8通道模塊，這樣就形成了兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器,。在內(nèi)部邏輯的控制下,，用戶可同時(shí)啟動(dòng)這兩個(gè)或是其中某一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊。

　　F2812的ADC模塊是嵌入式的,，它與傳統(tǒng)的A/D相比具有以下特點(diǎn)：A/D模塊的硬件資源配置好了之后,，用戶可以用軟件指令隨時(shí)啟動(dòng)A/D采樣，并獲得A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果,。同傳統(tǒng)A/D不同的是,，采集功能單元的硬件資源配置還有一部分是通過(guò)軟件完成的。

　　在TMS320F2812芯片中,，A/D轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路開(kāi)關(guān)（MUX）,、采樣/保持（S/H）電路、A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)核以及其他模擬輔助電路,。A/D轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字電路包括可編程轉(zhuǎn)換序列器,、結(jié)果寄存器、與模擬電路的接口等,。圖5為ADC模塊的構(gòu)成框圖,。

圖5 ADC模塊構(gòu)成框圖

　　ADC模塊功能包括：

　　1）內(nèi)置雙采樣/保持（S/H）的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，模擬輸入為0-3V,。

　　2）同時(shí)或順序采樣模式,。

　　3）快速轉(zhuǎn)換時(shí)間，可運(yùn)行在25MHz的數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)鐘或12.5MSPS,。

　　4）多輸入通道達(dá)16通道,。

　　5）自動(dòng)排序能力。一次可執(zhí)行多達(dá)16通道的“自動(dòng)抓換”,。

　　6）兩個(gè)獨(dú)立的可選擇8個(gè)模擬通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可獨(dú)立工作于雙排序器模式,，或級(jí)聯(lián)后工作在可選擇16個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式,。

　　7）可分別訪問(wèn)的16個(gè)結(jié)果寄存器用來(lái)保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值可由下式得到：

　　其中,，ADCLO是A/D轉(zhuǎn)換低電壓參考值,。

　　8）使用多個(gè)觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換（SOC），比如：

• 　　S/W：軟件立即啟動(dòng),。
• 　　EVA：時(shí)間管理器EVA（在EVA中有多個(gè)時(shí)間源可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換）,。
• 　　EVB：時(shí)間管理器EVA（在EVB中有多個(gè)時(shí)間源可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換）。

　　9）在雙排序模式下,，EVA和EVB觸發(fā)器可各自獨(dú)立的出發(fā)SEQ1和SEQ2,。

　　10）中斷控制方式靈活，可在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束或每隔一次轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)出中斷,。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D采樣設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)信號(hào)輸入設(shè)計(jì)為24路,。DSP本身的A/D輸入通道是16路，所以要外接多路模擬轉(zhuǎn)換器進(jìn)行擴(kuò)展,。在電路設(shè)計(jì)中,，使用3條DSP的A/D輸入通道ADCINA0- ADCINA2，每一通道掛接一片8輸入1輸出多路模擬轉(zhuǎn)換器4051,，這樣就可以擴(kuò)展為24路模擬信號(hào)輸入,。為了減小信號(hào)通道之間切換帶來(lái)的串?dāng)_，需在通道切換后加放大器減小信號(hào)輸入阻抗,，為了減小A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差,，用兩路己知信號(hào)電平輸入引入信號(hào)參考，提高采集精度,。

　　圖6展示了TMS320F2812內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換模塊與輸入信號(hào)之間的接口,。

圖6 A/D模塊與信號(hào)接口

　　對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)換,，CONVxx位確定采樣和轉(zhuǎn)換的外部模擬量引腳,。使用順序采樣模式時(shí)，CONVxx的4位都用來(lái)確定輸入引腳,，最高位確定采用哪個(gè)采樣并保持緩沖器,，其他3位定義偏移量。例如,，如果CONVxx的值是0001b,，ADCINA1就被選為輸入引腳。如果CONVxx的值是1111b,，ADCINB7被選為輸入引腳 ,。

　　TMS320F2812 ADC的精度校正

　　理想情況下，F(xiàn)2812的ADC模塊轉(zhuǎn)換方程為y =x ? mi,，x=輸入電壓×4095/3,，y為輸出計(jì)數(shù)值,。在實(shí)際中，ADC的誤差不可避免,，定義有增益誤差和失調(diào)誤差的轉(zhuǎn)換方程為y=x ? ma±b,，式中ma為實(shí)際增益，b為失調(diào)誤差,。F2812的ADC理想狀態(tài)與實(shí)際轉(zhuǎn)換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調(diào)誤差,，因此必須對(duì)這兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償。校正方法如下：選用ADC的任意兩個(gè)通道作為參考輸入通道,，分別提供給它們已知的直流參考電壓作為輸入（兩個(gè)電壓不能相同）,，通過(guò)讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)換值，求得校正增益和校正失調(diào),，再利用這兩個(gè)值對(duì)其他通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,，從而提高了ADC模塊轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)度。圖7顯示了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調(diào),。

圖7 理想轉(zhuǎn)換與實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換

　　TMS320F2812與PDIUSBD12接口設(shè)計(jì)

　　TMS320F2812與PDIUSBD12之間采用并口連接方式,，并且都工作在3V電壓下，給PDIUSBD12分配一個(gè)片選,，可以通過(guò)讀寫地址對(duì)其進(jìn)行操作,，它們之間的電氣連接不需要特殊處理，按照管腳功能一一對(duì)應(yīng)連接即可,。圖8是TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖,。

圖8 TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過(guò)USB接口直接與PC機(jī)相連，在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下通過(guò)JTAG接口來(lái)調(diào)試,、燒寫程序,，可使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　主程序流程

　　圖9是系統(tǒng)主程序流程圖,。在系統(tǒng)上電之后,，先對(duì)DSP的時(shí)鐘等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后對(duì)片上A/D,、I/O,、存儲(chǔ)器設(shè)備等進(jìn)行初始化，再對(duì)USB設(shè)備初始化,，之后程序進(jìn)入循環(huán)等待主機(jī)通過(guò)USB口發(fā)送命令,，然后對(duì)命令進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖 

　　A/D轉(zhuǎn)換流程

　　在使用TMS320F2812的內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),，首先對(duì)A/D進(jìn)行初始化,，并且設(shè)置中斷程序入口地址，通過(guò)Timer中斷的配置控制采樣頻率,。在開(kāi)啟中斷后,，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序,，它將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入數(shù)組Ad_data1[ ]中，并重新啟動(dòng)A/D,，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,，如此循環(huán)往復(fù)。流程圖如圖10所示,。

圖10 系統(tǒng)程序流程圖

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文利用TMS320F2812與PDIUSBD12相結(jié)合,，設(shè)計(jì)了一套三維感應(yīng)測(cè)井探測(cè)器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其接口電路簡(jiǎn)單,，采集精度高,，可完成對(duì)24路通道的同時(shí)采樣和順序采樣，并且能對(duì)單通道實(shí)行多次采樣,。系統(tǒng)還采用了USB接口,，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)USB上傳到主機(jī),，由上層軟件進(jìn)一步處理,，從而能夠更有效地測(cè)得油井中的油氣分布。