引 言

數(shù)據(jù)采集是DSP" target="_blank">DSP最基本的應(yīng)用領(lǐng)域，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片,。該芯片的主要特點有：150 MI/s（百萬條指令/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時控制能力,；采用哈佛總線結(jié)構(gòu),，具有高性能的32位的CPU，在一個周期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)32位×32位或兩個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)接口簡化了電路設(shè)計；提供了足夠的處理能力,，使一些復(fù)雜的實時控制算法的應(yīng)用成為可能,。

USB" target="_blank">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)與計算機的通信能力，從而拓寬DSP的應(yīng)用范圍,。本文利用DSP和USB設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，符合三維感應(yīng)測井多通道數(shù)據(jù)采集的需要。

數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計

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,、信號調(diào)理電路、USB通訊接口,，由于三維感應(yīng)測井有3個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組多路開關(guān)。在一個數(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,。
 

信號調(diào)理電路

由于本采集系統(tǒng)用于三維感應(yīng)測井中,，它對信號采集的精度要求高，因為被采信號頻率較高,，采樣通道多,，所以結(jié)果分析對原始數(shù)據(jù)的依賴性強。本設(shè)計信號調(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

前置放大器的噪聲系數(shù)對整個采集系統(tǒng)的噪聲特性具有重要的影響,。因為它所產(chǎn)生的噪聲會被后續(xù)各級放大器逐級放大，所以在選擇放大器時低噪聲指標(biāo)非常重要,。在研制低噪聲放大器時,，應(yīng)該抓住低噪聲這個關(guān)鍵指標(biāo)來分析、計算并設(shè)計電路,。目前,，可用噪聲指標(biāo)比較好的集成電路來設(shè)計低噪聲放大電路。

由于測井時被采信號一般為微伏級,，因此本設(shè)計采用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,，其計算公式為,。當(dāng)電壓增益大于100時，INA128的輸入共模抑制比達(dá)到120dB,，對輸入信號的共模干擾起到了很好的抑制作用,。

用MAX267 設(shè)計帶通濾波器

在三維感應(yīng)測井中所設(shè)定的有用信號的帶寬為20kHz到250kHz,，因此選用MAX267設(shè)計一種帶通增益放大器。MAX267內(nèi)部含有2個獨立的二階開關(guān)電容帶通濾波器,，它有12個可編程輸入端,，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,，而僅需外部時鐘就可以實現(xiàn)帶通濾波功能,，使用極為方便。帶通特性曲線如圖2所示,。
 

其傳遞函數(shù) G(S)為：
 

在上式中,，HOPB是ω=ω0時的輸出帶寬值，且ω0 =2πf,。

fL和fH分別為：
 

其中

程控增益放大器設(shè)計

程控放大器是在DSP的控制下,，將初級放大的信號放大到ADC的轉(zhuǎn)化區(qū)間內(nèi)，以提高儀器的動態(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)計采用了兩級程控反向差分的方法,，并且兩級程控放大采用直接耦合差動連接的方式。原理如圖3示,。
 

其中兩個級聯(lián)的第一級程控差分放大器由兩片PGA205實現(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

50Hz的工頻干擾是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可避免的,，它會嚴(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,，通過改變兩個電阻R的值和一個電容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。
 

A/D采樣設(shè)計

TMS320F2812的ADC模塊

TMS320F2812芯片中集成了一個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個通道，可配置為兩個8通道模塊,，這樣就形成了兩個A/D轉(zhuǎn)換器,。在內(nèi)部邏輯的控制下，用戶可同時啟動這兩個或是其中某一個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：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啟動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。
 

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）同時或順序采樣模式。

3）快速轉(zhuǎn)換時間，可運行在25MHz的數(shù)模轉(zhuǎn)換時鐘或12.5MSPS,。

4）多輸入通道達(dá)16通道,。

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

6）兩個獨立的可選擇8個模擬通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可獨立工作于雙排序器模式,，或級聯(lián)后工作在可選擇16個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式。

7）可分別訪問的16個結(jié)果寄存器用來保存轉(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）使用多個觸發(fā)信號啟動數(shù)模轉(zhuǎn)換（SOC）,，比如：

? S/W：軟件立即啟動,。

? EVA：時間管理器EVA（在EVA中有多個時間源可以啟動轉(zhuǎn)換）。

? EVB：時間管理器EVA（在EVB中有多個時間源可以啟動轉(zhuǎn)換）,。

9）在雙排序模式下,，EVA和EVB觸發(fā)器可各自獨立的出發(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

本系統(tǒng)信號輸入設(shè)計為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)行擴展,。在電路設(shè)計中，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,，這樣就可以擴展為24路模擬信號輸入。為了減小信號通道之間切換帶來的串?dāng)_,，需在通道切換后加放大器減小信號輸入阻抗,，為了減小A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差，用兩路己知信號電平輸入引入信號參考,，提高采集精度,。圖6展示了TMS320F2812內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換模塊與輸入信號之間的接口。
 

對于每一個轉(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，CONVxx的4位都用來確定輸入引腳,，最高位確定采用哪個采樣并保持緩沖器，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為輸出計數(shù)值。在實際中,，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為實際增益,，b為失調(diào)誤差,。F2812的ADC理想狀態(tài)與實際轉(zhuǎn)換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調(diào)誤差，因此必須對這兩種誤差進(jìn)行補償,。校正方法如下：選用ADC的任意兩個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（兩個電壓不能相同），通過讀取相應(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),，再利用這兩個值對其他通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補償，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),。
 

TMS320F2812與PDIUSBD12接口設(shè)計

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分配一個片選,，可以通過讀寫地址對其進(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應(yīng)連接即可,。圖8是TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖。
 

 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過USB接口直接與PC機相連,，在CCS集成開發(fā)環(huán)境下通過JTAG接口來調(diào)試,、燒寫程序，可使用C語言來實現(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DSP的時鐘等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化,，然后對片上A/D,、I/O、存儲器設(shè)備等進(jìn)行初始化,，再對USB設(shè)備初始化,，之后程序進(jìn)入循環(huán)等待主機通過USB口發(fā)送命令，然后對命令進(jìn)行相應(yīng)處理。
 

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,，首先對A/D進(jìn)行初始化,，并且設(shè)置中斷程序入口地址，通過Timer中斷的配置控制采樣頻率,。在開啟中斷后,，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,。
 

結(jié)束語

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