基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)①

姜建國 趙 宇

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)①

姜建國 趙 宇

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)DSP的ADC采集校正與顯示功能，設(shè)計(jì)了DSPF2812開發(fā)板和參考電壓電路，通過為ADC采樣通道提供兩路精準(zhǔn)的參考電壓，消除了DSP采樣時系統(tǒng)本身存在的誤差和漂移。對溫度和濕度采樣信號進(jìn)行限幅數(shù)字濾波，通過OCMJ8×15D液晶進(jìn)行溫濕度顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明：校正后采樣值與實(shí)際值的誤差不超過0.3%，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單純采用DSP在ADC采集方面的不足。

ADC采樣校正與顯示 DSP 誤差 限幅數(shù)字濾波 參考電壓

數(shù)字信號處理芯片DSPF2812具有12位ADC模塊，其精度基本滿足工程需求。但是根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般ADC模塊的采樣精度比理論值少3位，導(dǎo)致采樣值和實(shí)際值之間的相對誤差最大時會超過15%，給測量帶來極大的不便。為此，筆者設(shè)計(jì)了一個基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)，為傳統(tǒng)DSP采樣提供兩路精準(zhǔn)參考電壓，通過硬件校準(zhǔn)和軟件濾波方式實(shí)現(xiàn)對溫濕度信號的采集與顯示，使系統(tǒng)操作方便，并提高工作穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)通過傳感器對周圍環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行采集，通過OPA188隔離處理和A/D采樣校正環(huán)節(jié)后，有效地補(bǔ)償了由轉(zhuǎn)換特性引起的增益和偏移誤差；通過自主設(shè)計(jì)的DSP2812進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理，以進(jìn)一步提高檢測精度，減小由外界波動引起的測量偏差，最后在液晶屏上顯示檢測到的溫濕度值，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件部分

2.1 DSP核心處理器

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)的核心部分是自主設(shè)計(jì)的DSP開發(fā)板，它一改傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法；采用C/C++編寫程序，軟件效率高，具有優(yōu)秀的可編程性，實(shí)時系統(tǒng)運(yùn)行速度可達(dá)到每秒鐘數(shù)以千萬行復(fù)雜的指令和程序，遠(yuǎn)超過其他通用微處理器[1,2]。

2.2 精準(zhǔn)參考電壓電路

為了提高采樣精度，對ADC校正之前需要提供兩路精準(zhǔn)的參考電壓給ADC模塊任意兩個采樣通道，這樣通過轉(zhuǎn)換兩路已知的信號就可以求出DSP在轉(zhuǎn)換過程中本身存在的增益系數(shù)和偏移量，然后利用這兩個參數(shù)即可校正ADC其他采樣通道。三端穩(wěn)壓管TL431是一個具有良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，通過調(diào)節(jié)電阻可以設(shè)置參考電壓Vref(范圍為2.5～36.0V)。具體電路如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)參考電壓電路

輸出電壓Vout為：

(1)

將輸入電壓Vin=5V、R1=2kΩ、R2=10kΩ代入式(1)，可得：

兩個參考電壓Vrefa、Vrefb的計(jì)算值：

將Vrefa、Vrefb作為DSP2812ADC模塊的精準(zhǔn)參考電壓，得到ADC模塊校正曲線(圖3)。

圖3 ADC模塊校正曲線

模擬輸入量X與數(shù)字輸出量Y的關(guān)系為：

理想型Y=mi×X

實(shí)際型Y=ma×X+b

利用獲得的參考電壓可得方程組：

(2)

轉(zhuǎn)換后得：

(3)

這樣，只要知道數(shù)字輸出量Y，就可以求得實(shí)際的模擬輸入量X：

X=(Y-b)/ma

(4)

3 軟件部分

代碼調(diào)試器(Code Composer Studio，CCS)是一種針對標(biāo)準(zhǔn)STM32調(diào)試接口的集成開發(fā)環(huán)境，采用Windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開發(fā)與設(shè)計(jì)，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一[3,4]。

3.1 數(shù)字濾波

在微機(jī)控制系統(tǒng)的模擬輸入信號中，一般含有來自被測信號源本身、傳感器或外界的各種噪聲和干擾。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。與傳統(tǒng)濾波方法相比，數(shù)字濾波是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，不需要增加額外設(shè)備，具有成本低、可靠性高、多通道共享及更改參數(shù)靈活等優(yōu)點(diǎn)，不存在阻抗匹配問題，因此筆者采用數(shù)字濾波方法。

由于溫度和濕度信號變化比較緩慢，故采用限幅濾波方法。把兩次相鄰的采樣值相減求出其增量(以絕對值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象的實(shí)際情況決定)ΔY進(jìn)行比較，若不大于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則取上次采樣值作為本次采樣值。即：

(5)

其中，ΔY=0.1。

3.2 液晶顯示

系統(tǒng)液晶模塊選用的是中文集成模塊顯示屏OCMJ8×15D，它采用3.3V電壓驅(qū)動，不需要直流電源，使得整個系統(tǒng)更加簡潔[5～7]。可接收標(biāo)準(zhǔn)中文文字內(nèi)碼而不需要進(jìn)入繪圖模式，以繪圖方式掃描中文可以節(jié)省許多微處理器時間，提升液晶顯示中文數(shù)字的效率[8,9]。通過插入DSP軟件延時的方法來實(shí)現(xiàn)DSP與液晶顯示的匹配，使硬件結(jié)構(gòu)得以簡化。在中斷處理中進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)及濾波等。具體流程如圖4所示。

圖4 液晶顯示流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，通過溫濕度傳感器對溫度和濕度兩路信號進(jìn)行采集(圖5)，在DSP內(nèi)部進(jìn)行ADC采樣校正和數(shù)字濾波處理，當(dāng)數(shù)值超出預(yù)設(shè)范圍時將啟動報警系統(tǒng)，最后在液晶屏上對處理后的溫濕度信息進(jìn)行顯示。運(yùn)行調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、造價便宜，適用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

圖5 ADC采樣顯示窗口

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了一個基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)。利用自主設(shè)計(jì)的高速DSP來控制低速液晶顯示，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫濕度的實(shí)時監(jiān)測，通過調(diào)試，消除了DSP采樣時系統(tǒng)本身存在的誤差和漂移，校正后，采樣值與實(shí)際值誤差不超過0.3%。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，軟硬件設(shè)計(jì)簡單，運(yùn)行可靠，開發(fā)周期短，可擴(kuò)展性強(qiáng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的單純采用DSP進(jìn)行ADC采集的不足，特別適用于對溫濕度要求較高的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價值。

[1] 彭建盛.基于Symbian平臺智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,31(2):55～58.

[2] 周潤景,劉曉霞,韓丁,等.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[3] 張雄偉,陳亮,徐光輝,等.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[4] 蘇濤,蔡建隆,何學(xué)輝.DSP接口電路設(shè)計(jì)與編程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[5] 馬慶勇,吳中明.基于單片機(jī)的多功能時鐘控制電路[J].電子科技,2009,22(3):56～59.

[6] 張?zhí)毂?謝運(yùn)祥,莫莉,等.基于DSP的液晶顯示若干問題的探討[J].電子設(shè)計(jì)工程,2007,(6):68～71.

[7] 黃樹毅,程漢湘,荊懷成,等.TMS320F2812與液晶顯示模塊的接口電路及其程序設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2009,24(5):698～703.

[8] 莫莉,董萬福,喻洪平,等.基于TMS320F2812的液晶顯示模塊接口設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2009,17(2):407～409.

[9] 侯清娜,張新宇,王崢,等.基于DSP的LCD模塊設(shè)計(jì)及其在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].液晶與顯示,2009,24(1):110～115.

TemperatureandHumiditySamplingCalibrationandDisplaySystemBasedonDSPandADC

JIANG Jian-guo, ZHAO Yu

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to achieve DSP’s functions of ADC sampling correction and display, both DSPF2812 development board and reference voltage circuit were designed independently; through providing ADC sampling channels with two-way precision reference voltage, both sampling error and drift of the DSP were eliminated, including having the limited digital filtering applied to the temperature and humidity sampling signals and the temperature and humidity displayed via a OCMJ8×15D LCD so as to realize human-computer interaction.

TH862+.7

B

1000-3932(2017)08-0747-04

2017-02-27)

(Continued on Page 756)

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016013)。

姜建國(1966-)，教授，從事電力系統(tǒng)自動化的研究。

聯(lián)系人趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動的研究，1045090829@qq.com。