一種基于DSP的一體化前端采集控制器的設(shè)計(jì)

方勇宋杰

（中國(guó)人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連116023）

0 引言

在某些高溫高壓高速實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合中，溫度、壓力、振動(dòng)等環(huán)境參數(shù)是是檢驗(yàn)被測(cè)物體及運(yùn)動(dòng)裝置的可靠性和可維修性的重要依據(jù)，為被測(cè)物體的改進(jìn)提供必要的依據(jù)。而這些參數(shù)的測(cè)量通過(guò)熱電偶傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器將物理量信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送給一體化前端采集控制器。一體化前端采集控制器將所接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，將數(shù)據(jù)保存起來(lái)，并可以通過(guò)以太網(wǎng)口、RS422及USB口等通訊接口將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)可以處理和分析數(shù)據(jù)，并可以將處理結(jié)果用報(bào)表、圖表的方式打印出來(lái)。由于這些實(shí)驗(yàn)的無(wú)法重復(fù)性、復(fù)雜性這就對(duì)一體化前端采集控制器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，不僅具備多通道高速采集和大容量存儲(chǔ)的功能還應(yīng)具有很高的可靠性、精確性和電磁兼容性。

1 一體化前端采集控制器工作原理

一體化前端采集控制器的工作原理圖如圖1所示。一體化前端采集控制器將采集通道、主控部分、數(shù)據(jù)總線等集成在一起，采用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一體化程控，并具有RS422、USB2.0和以太網(wǎng)接口。

圖1 一體化前端采集控制器工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 主控制部分

每臺(tái)采集器都有一個(gè)主控制板，其作用是通過(guò)相應(yīng)的端口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過(guò)控制總線對(duì)采集板進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)交換。組成框圖如圖2所示。

圖2 主控部分組成框圖

2.1.1 中央處理器

考慮到系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通道獨(dú)立性等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的控制由一個(gè)高速32位DSP（數(shù)字處理單片機(jī)）芯片實(shí)現(xiàn)。DSP單片機(jī)與普通單片機(jī)相比，在運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理能力上都有后者無(wú)法比擬的優(yōu)越性，完全可以滿足系統(tǒng)高速采集的要求。在DSP芯片的選擇上，采用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定點(diǎn)處理DSP芯片，該芯片不但運(yùn)行速度高（可達(dá)150MHz的主頻），處理功能強(qiáng)大，并且具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，其信價(jià)比極高。而且它特有的性能是外部存貯空間接口可達(dá)1MB、可編程等待狀態(tài)、三個(gè)獨(dú)立的片選端還有幾十個(gè)GPIO端口可供選擇。此特點(diǎn)用于管理其它采集板通訊雙口RAM（IDT7027）提供了很大的方便。芯片內(nèi)部具有8K×16的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，可以大大降低系統(tǒng)的體積，而且其功耗也比較低（核心電壓1.8V,I/O口電壓3.3V）。

2.1.2 主控板CPLD

為方便通道的可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)了一套完整的并行數(shù)據(jù)總線和協(xié)議。每塊采集板上都有自己的一個(gè)控制CPU來(lái)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)控制，并通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線和協(xié)議由一塊主控制板來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為增強(qiáng)儀器的可靠性和總線的驅(qū)動(dòng)能力，所以在每塊板上都增加了一套總線驅(qū)動(dòng)器，考慮到板子體積大小，將總線驅(qū)動(dòng)器做到了一個(gè)CPLD中，其特點(diǎn)就是集成度高，體積小，邏輯更改方便可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 采集通道部分

為了增加板子可靠性和獨(dú)立性，我們?cè)O(shè)計(jì)中都將每塊板子設(shè)計(jì)成為了相對(duì)獨(dú)立的采集器。由自己控制CPU、采樣AD、信號(hào)調(diào)理前端、存貯磁盤及通訊總線。其組成框圖如圖3所示。

圖3 采集通道部分組成框圖

2.2.1 中央處理器

根據(jù)儀器需要及與主控部分的編程操作方便，CPU控制器也是選用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定點(diǎn)處理DSP芯片，它還具有3個(gè)32位的CPU定時(shí)器，運(yùn)用這三個(gè)定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)AD的定時(shí)采集，以達(dá)到采樣頻率：10Hz-160KHz/通道，連續(xù)可調(diào)。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵部位。設(shè)計(jì)中采用了AD公司的高速16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7663AST芯片。該AD轉(zhuǎn)換器具有高速度、高精度、低功耗、單一電源供電（+5V）等特點(diǎn)，使用其±5V量程檔?？梢酝耆珴M足本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量速度和測(cè)量精度16位的要求。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也是數(shù)據(jù)采集通道中的一個(gè)關(guān)鍵部分，它必須滿足存儲(chǔ)容量和能夠掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的雙重功能。設(shè)計(jì)中采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器緩存加大容量電子盤（ADC）作為存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。電子盤與普通Flash存儲(chǔ)器相比，具有速度快、容量大的優(yōu)點(diǎn)；與普通硬盤相比，存儲(chǔ)容量相當(dāng)，電子盤的工作環(huán)境溫度更寬、抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)、體積小、安裝形式多，更適合本測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)程序支持的存貯容量，用戶通過(guò)上位機(jī)軟件去選擇存儲(chǔ)盤的容量，最高可支持512M字節(jié)的存儲(chǔ)。

2.2.4 雙口RAM

增加雙口RAM目的是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在采集過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。當(dāng)CPU在采樣過(guò)程中先將AD的采樣數(shù)據(jù)放在靜態(tài)RAM中，然后再將數(shù)據(jù)存入電子盤。當(dāng)采樣率比較高的時(shí)候CPU的工作頻率也就相對(duì)比較高。這時(shí)靠CPU再與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換已經(jīng)來(lái)不及了。在不影響采集存儲(chǔ)的情況下只有靠主控板自己的CPU把數(shù)據(jù)從采集RAM取走傳給上位機(jī)。普通單口RAM只有一個(gè)讀寫操作口無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述功能，而雙口RAM有左右兩個(gè)讀寫操作口，這樣就可以實(shí)現(xiàn)了邊存儲(chǔ)邊顯示的功能了。而且為增加總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头奖阈?，將雙口RAM的存儲(chǔ)區(qū)劃分幾個(gè)不同的區(qū)域，每塊采集板的所有要與主控板進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)及命令都靠取RAM中不同區(qū)域數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)需要選用IDT公司的IDT70V28L芯片，其存儲(chǔ)容量為64k X 16位，電源為3.3V。該芯片典型功耗為440mW，待機(jī)功耗僅660μW。

2.2.5 信號(hào)調(diào)理前端

信號(hào)調(diào)理前端作用就是把傳感器的信號(hào)歸一化為理想的電壓信號(hào)，再由AD進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在大多數(shù)傳感器信號(hào)輸出型式有三種：電荷型、單端電壓型、差分電壓型。為實(shí)現(xiàn)儀器能對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行采集，所以在采集板上做了三種信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)模擬電子開關(guān)及編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換。

2.3 電源管理模塊

為滿足野外無(wú)外接電源長(zhǎng)時(shí)間工作需求，選大容量聚合物鋰電池，選定制的電池保護(hù)電路保證穩(wěn)定的電流輸出。大容量聚合物鋰電池可根據(jù)需要擴(kuò)充電量，外置的電池盒可方便拆卸和搬運(yùn)，在電池盒中設(shè)置的溫控電路也可保障電池在低溫環(huán)境下的工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

前端采集器需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)基本功能，這三部分在系統(tǒng)軟件的監(jiān)控和任務(wù)調(diào)度下協(xié)同運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)的主要流程圖如圖4所示。

圖4 軟件主要流程圖

進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，內(nèi)部計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，啟動(dòng)ADC采集數(shù)據(jù)，主程序進(jìn)入一個(gè)死循環(huán)；當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換完畢，進(jìn)入中斷子程序，采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤里，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

4 可靠性和電磁兼容性設(shè)計(jì)

4.1 可靠性設(shè)計(jì)

一體化前端采集控制器設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足整機(jī)主要性能指標(biāo)的前提下，按照可靠性的要求進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)等，從簡(jiǎn)化電路構(gòu)成、增加元件參數(shù)額定使用上限、加強(qiáng)散熱效果、采取三防處理、采取絕緣處理等方面考慮，確保了一體化前端采集控制器的可靠性。

4.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)

一體化前端采集控制器在設(shè)計(jì)中采取一系列電磁兼容及抗干擾措施：電源模塊的輸入、輸出都具有濾波電路；同時(shí)在每塊印制板的電源入口處放置大電容，在每個(gè)組件旁和每個(gè)信號(hào)的輸入接口處放置小電容，從而加強(qiáng)了儀器抗電磁兼容干擾的能力；印刷板采取了去耦措施，電源端、輸入輸出端加濾波；印刷線路板布線有規(guī)則前向布線，盡量縮短布線長(zhǎng)度；信號(hào)線與回線盡量靠近，平行走線。按電路類型對(duì)元件、邏輯組件進(jìn)行分組，相對(duì)集中，相互獨(dú)立的功能塊周圍用地線環(huán)繞；采用多層印制板，增加電源層及接地層接觸面，增強(qiáng)抗干擾能力；對(duì)儀器所用元器件嚴(yán)格按照選用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選和選用，保證其抗干擾能力；由于整機(jī)采用金屬殼，具有屏蔽作用，因此會(huì)大幅度減少內(nèi)部噪聲輻射到機(jī)殼外部。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一體化前端采集控制器具備多通道、大容量、高速采集與存儲(chǔ)的功能。由于采用了高性能的DSP芯片TMS320F2812PGFA和采用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，加入了可靠性設(shè)計(jì)和電磁兼容性設(shè)計(jì)，適合一些高溫高壓高速實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合測(cè)量的要求。

［1］王念旭.DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

［2］蘇奎峰,呂強(qiáng),耿慶鋒,等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社,2005.

［3］趙偉,鮑慧,劉云峰,等.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2005(2).