基于DSP的16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集電路設計

馮國金，趙洪亮，閆吉領，欒慶聰

（1.山東科技大學 山東 青島 266510；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦，山東 鄒城 273512）

煤巖聲發(fā)射監(jiān)測，又名微震監(jiān)測，是一種公認的很有發(fā)展前途的連續(xù)預測煤礦動力災害的方法。目前國內(nèi)已經(jīng)有多套國產(chǎn)和引進的系統(tǒng)投入使用[1-2]。其中，煤巖聲發(fā)射信號的采集是該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一，它要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動態(tài)范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集等特點。目前，國內(nèi)已有多家單位進行了相關的研究工作：熊慶國等采用單片機+DSP的方案研制出便于攜帶的具有16位分辨率的單通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀[3]；周鳳星等采用C8051F022核心控制器，設計出能夠同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集站[4]；潘一山等研制的礦震監(jiān)測定位系統(tǒng)采用了16位、8通道的數(shù)據(jù)采集器[2]；王繼強等以TMS320VC5402處理器，分別設計了8通道、16位分辨率的微震實時監(jiān)測系統(tǒng)[5]。

隨著技術的快速發(fā)展，處理器和A/D轉(zhuǎn)換器的性能都在不斷改善，使得更多通道、更高分辨率的煤巖聲發(fā)射信號采集成為可能。TMS320VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定點DSP處理器，其主頻最高可達200 MHz，具有豐富的外設，適用于大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和處理[6]。ADS1278是TI公司推出的一款工業(yè)級的24位分辨率、8通道同步A/D轉(zhuǎn)換器，具有優(yōu)良的AC和DC性能，采樣率最高可以達144 ksps，并且可通過菊花鏈的方式級聯(lián)多片，實現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集[7]。文中以DSP處理器TMS320VC5509A為核心，通過菊花鏈的方式擴展了2片ADS1278，實現(xiàn)了24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集電路的工作原理

數(shù)據(jù)采集電路的結(jié)構框圖如圖1所示，其工作原理為：系統(tǒng)上電后，TMS320VC5509A（以下簡稱VC5509A）首先完成對自身資源的配置，然后通過I2C總線配置PCA9535的I/O口狀態(tài)，完成對ADS1278的基本配置。待以上準備工作完畢后，VC5509A發(fā)出一個同步轉(zhuǎn)換脈沖，啟動A/D轉(zhuǎn)換；這時，前端傳感器采集的煤巖聲發(fā)射信號經(jīng)過信號調(diào)理電路放大、濾波等預處理后送入ADS1278進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。最后，各通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以時分復用的形式送入VC5509A的McBSP端口，完成數(shù)據(jù)的采集。

圖1 數(shù)據(jù)采集電路的結(jié)構框圖Fig.1 Structure diagram of the data acquisition circuit

由數(shù)據(jù)采集電路的原理框圖可以看出，VC5509A與ADS1278的接口是該設計的核心。該接口電路按功能劃分為兩部分：一個是控制接口，用于設置ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸模式和通道使能情況；另一個是數(shù)據(jù)接口，用于傳輸ADS1278采集的數(shù)據(jù)。此外，電源和基準電路也是該數(shù)據(jù)采集電路的重要組成部分，下文將詳細介紹。

2 數(shù)據(jù)采集電路的硬件實現(xiàn)

2.1 VC5509A與ADS1278控制接口電路設計

ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)輸出模式和通道使能都是通過引腳來設定的[7]，每片需要設置的引腳多達14個。倘若采用VC5509A的I/O口完成配置，勢必造成很大的資源浪費。本文通過VC5509A的I2C控制器掛載了兩片PCA9535[8]來完成對ADS1278的配置，只占用兩個引腳。

圖2給出了單片ADS1278與VC5509A的控制接口電路，其中，3位撥碼開關用于設置PCA9535的I2C地址；PWDN[8:1]用于設置各通道的開啟情況；MODE[1:0]用于設置工作模式；FORMAT[2:0]用于設置串行數(shù)據(jù)輸出的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式；CLKDIV用于設置時鐘是否減半；LED指示引腳連接一個用戶指示燈，當向?qū)腎/O口寫入低電平時，該指示燈點亮，可據(jù)此觀察PCA9535配置是否成功。

圖2 控制接口電路Fig.2 Circuit of the control interface

2.2 VC5509A與ADS1278數(shù)據(jù)接口電路設計

ADS1278轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以串行方式通過引腳輸出，可以通過FORMAT[2:0]來選擇傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式。本文通過VC5509A的McBSP外設接口來接收ADS1278轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，該接口同時支持SPI和幀同步協(xié)議，能夠方便的實現(xiàn)ADS1278的無縫連接。相比較而言，幀同步模式擁有更快的傳輸速度，所以本文選擇了幀同步協(xié)議。

VC5509A與ADS1278采用幀同步協(xié)議的數(shù)據(jù)接口電路如圖3所示，兩片ADS1278以菊花鏈的方式級聯(lián)。其中，U3的輸入 DIN接地，DOUT1連到U2的DIN輸入；U2的輸出DOUT1經(jīng)D觸發(fā)器后連到VC5509A的DR1引腳；U2和U3擁有相同的CLK、SCLK、SYNCn和FSYNC控制信號。

圖3 數(shù)據(jù)接口電路Fig.3 Circuit of the data interface

2.3 電源和基準電路設計

穩(wěn)定、低噪聲的電源是實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集的必要保證，該數(shù)據(jù)采集電路包含3種典型電源：ADS1278的1.8 V內(nèi)核電源，3.3 V I/O口電源和5 V模擬電源。其中，5 V模擬電源通過具有較小紋波的LM7805線性穩(wěn)壓得到；3.3 V和1.8 V數(shù)字電源通過具有高電源抑制比和低噪聲性能的電源芯片TPS73033和TPS73018獲得。

基準電路在高精度數(shù)據(jù)采集電路的設計中起著至關重要的作用，它會直接影響到數(shù)據(jù)采集電路的精度和穩(wěn)定性。本文采用了TI公司的一款低噪聲、低溫漂、精度極高的電壓基準芯片REF5025為ADS1278提供參考電壓[9]。為使REF5025的輸出性能達到最佳，在將基準信號送入ADS1278之前添加了一級調(diào)理電路，用于進行阻抗匹配和濾波。

3 數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件實現(xiàn)包括配置和數(shù)據(jù)采集兩部分。其中，配置又可分為兩部分：一是對VC5509A本身的初始化， 包括：CSL 庫、PLL、GPIO、I2C、 定時器、McBSP、DMA和中斷等；二是對ADS1278參數(shù)的設置，包括通道開啟情況、工作模式和采樣率等。數(shù)據(jù)采集工作主要是由DMA來完成的，CPU只負責切換緩沖區(qū)和處理數(shù)據(jù)等操作。

數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件工作流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先完成初始化和ADS1278的配置工作；然后，CPU發(fā)出同步轉(zhuǎn)換脈沖，啟動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進入中斷等待狀態(tài)；與此同時由DMA來進行數(shù)據(jù)采集，當DMA存滿緩沖區(qū)后觸發(fā)中斷；CPU進行切換緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)處理等操作，然后返回等待下一次中斷。

在上述過程中，DMA和CPU是并行工作的：即DMA專門負責存儲數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)搬移到緩沖區(qū)；而CPU則負責切換緩沖區(qū)并處理緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。但同一時刻，CPU和DMA操作的是不同的緩沖區(qū)：當DMA向緩沖區(qū)0存儲數(shù)據(jù)時，CPU處理緩沖區(qū)1的數(shù)據(jù)；而DMA向緩沖區(qū)1存儲數(shù)據(jù)時，CPU處理緩沖區(qū)0的數(shù)據(jù)。這樣DMA和CPU實現(xiàn)了一種“乒乓”切換操作，使得DSP能夠更加專注于數(shù)據(jù)處理，從而能夠發(fā)揮最佳性能[10]。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路的底層軟件工作流程圖Fig.4 Flow chart of the bottom software of the data acquisition circuit

4 數(shù)據(jù)采集測試結(jié)果

由于數(shù)據(jù)采集電路的通道數(shù)眾多，無法一一展示測試結(jié)果，所以本文選取了兩組典型通道，分別測試同一信號和不同頻率的信號。用CCS集成開發(fā)環(huán)境進行硬件仿真，在DMA中斷里設置斷點，并通過Graph工具調(diào)取緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)顯示采集信號波形，結(jié)果分別見圖5（a）、（b）所示。測試中，設置ADS1278的采樣頻率為9 375 Hz，顯示緩沖區(qū)大小為1 024個點，圖中的橫坐標是經(jīng)換算過后的時間信息，單位是ms，縱坐標是A/D轉(zhuǎn)換后的實際數(shù)值。

圖5（a）中的測試信號頻率為 100 Hz，幅值為 100 mVpp。由圖可以看出，兩通道采集的信號波形一致，相位相同，說明了兩通道采樣的同步性。圖5（b）中，通道3信號頻率為200 Hz，幅值約為1.45 Vpp；通道9信號頻率為300 Hz，幅值為1.1 Vpp。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可以計算出，通道9的信號頻率約為通道3的1.5倍，信號幅值約為通道3的1.3倍，與測試信號對應，這說明了兩通道采集不同信號的正確性。圖5（a）和（b）兩圖中的信號連續(xù)光滑，沒有突變點，這也說明了采集電路的高性能。

5 結(jié) 論

文中面向煤巖聲發(fā)射信號采集，提出了一種大動態(tài)范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集電路的解決方案。該方案通過較少的接口既實現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)的同步采集，又可靈活開啟各通道、設置工作模式和采樣率等。采用本數(shù)據(jù)采集電路的方案，還可方便增加ADS1278到8片，將通道數(shù)擴展到64個，進而實現(xiàn)更多通道數(shù)據(jù)的同步采集。但在使用時需注意，該數(shù)據(jù)采集電路可擴展的通道數(shù)會受到工作模式和工作時鐘頻率的制約。

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