袁博 查晨東
摘 要:針對可穿戴裝甲裝備測試設備的數(shù)據(jù)采集功能需求,提出了一種基于TMS320F28335和ADS8557的無線多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可實現(xiàn)對炮控36路信號采集,采集數(shù)據(jù)通過藍牙無線傳輸給可穿戴主機,具有多通道、低功耗、便攜性特點。
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集;DSP;模數(shù)轉(zhuǎn)換
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.123
1 引言
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制、設備監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等領域[1],利用傳感器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、溫度、壓力、速度等多種物理數(shù)據(jù)的測量。DSP又稱為數(shù)字信號處理器,在體積、功耗與性能上都具有良好的性能,常應用于數(shù)據(jù)采集與處理中。本文采用德州儀器生產(chǎn)的TMS320F28335芯片和ADS8557模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,設計了一種應用于某型坦克炮控系統(tǒng)測試的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在數(shù)據(jù)傳輸上面采用MS96SF1藍牙模塊[2],該模塊支持藍牙4.2協(xié)議,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與可穿戴主機的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>
2 需求分析
多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含了測試資源分配,待測信號調(diào)理,信號的AD/DA轉(zhuǎn)換,測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘3]。炮控系統(tǒng)測試資源較多,某型坦克炮控系統(tǒng)包含有炮控箱和操縱臺共有36路AD信號,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道數(shù)應能滿足測試資源需求。常用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下兩種:
(1)同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方法常用于精密儀器控制和高速高精度采樣等場合中,能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號的同步采集功能,但難以做到對體積與成本的控制,功耗也相對較大。
(2)分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方法利用一組數(shù)據(jù)線對多通道數(shù)據(jù)進行循環(huán)采集,在同一時間點只有一路信號占用該通道。該方法在數(shù)據(jù)采集速率要求不高的場合具有易于設計、經(jīng)濟高效的優(yōu)勢。但也存在采集速率不高、無法得到同一時刻的多通道數(shù)據(jù)。
由于實際測試信號對同步采集需求不高,為降低硬件成本,減小數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體積,采用分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)36路信號的循環(huán)采樣[4]。
3 硬件電路設計
現(xiàn)有測試系統(tǒng)主要利用電纜進行數(shù)據(jù)傳輸,適配器與測試部件、適配器與計算機都采用“航插-電纜-航插”的方式進行連接。為滿足可穿戴性需求,從裝甲測試的實際應用層面確立了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件方案,大致可劃分為:DSP及外圍電路、電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、無線通信模塊。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:
3.1 電源電路設計
電源電路是系統(tǒng)硬件設計中最為重要的部分,電源信號的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從裝備取26V電,各種器件工作電壓不同,需要對電源進行濾波、穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換等操作。其中ADC芯片需要5V與模擬±15V電源,DSP芯片內(nèi)部需要3.3V與1.9V電源供電,同時為了降低噪聲對模擬信號的干擾,需要將模擬地和數(shù)字地分來。將裝備26V電通過HZD05B系列電源模塊進行電壓轉(zhuǎn)換,該電源模塊額定輸出功率為5W,輸出電壓精度達±1%,具有過流和過壓保護功能。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示:
采用雙輸出低壓差調(diào)壓器TPS767D301芯片將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V和1.9V電源,TPS767D3XX系列雙穩(wěn)壓芯片主要應用于DSP芯片,可用于混合輸出電壓應用,每個穩(wěn)壓器最高可支持1A電流。
3.2 ADC接口電路設計
ADS8557芯片是TI公司的一款高性能逐次逼近型低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采用64引腳薄型四方扁平式封裝(LQFP),額定工作溫度為-40℃至125℃,具有硬件與軟件兩種工作模式。由于裝備信息采集需要周期性進行,采用硬件工作模式更為方便。ADS8557與F28335接口電路如圖所示:
需要注意的是,ADC內(nèi)部含有模擬信號處理,為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度,防止模擬信號與數(shù)字信號互相干擾,需要對ADC與DSP信號接口進行隔離處理。
單片ADS8557具有六個模擬輸入通道,多數(shù)裝備通道信號變化較為緩慢,適合利用多路復用器進行分時采樣,這樣可以極大的減小數(shù)據(jù)采集設備的體積與成本。該多路復用器具有-40V-55V的過壓保護,先開后合式開關(guān)動作能夠防止通道發(fā)生瞬時短路情況。設計使用6片ADG508F,多通道分時復用電路結(jié)構(gòu)如圖所示,經(jīng)過信號調(diào)理的45路模擬信號進入多路復用的輸入端,DSP通過A0,A1,A2三個引腳控制多路選通,實現(xiàn)對多通道的分時復用采樣。
3.3 信號調(diào)理電路設計
ADS8557模擬通道輸入范圍在±12V,需要進行分壓處理,分壓比例由經(jīng)驗信號值預先確定。為了防止信號異常燒壞器件加入保護電路,一旦輸入信號超過±10V,就從穩(wěn)壓管流走。同時為了提高信號的測量精度和帶負載能力,加入電壓跟隨電路。信號調(diào)理電路如圖5所示:
4 軟件設計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設計主要包括DSP初始化、AD采集、數(shù)據(jù)通信等部分,軟件設計主要在CCS7.0的集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試完成的。軟件流程圖如圖6所示。
McBSP是TI公司DSP芯片中的多通道緩沖串行數(shù)據(jù)口,具有全雙工雙緩沖數(shù)據(jù)通信特點,支持SPI、I2C、IOM-2等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。由于內(nèi)部具有傳輸時鐘CLKX與幀同步信號FSR,可編程程度較高。需要注意的是SPCR寄存器中的RRDY位表示接受狀態(tài),RRDY=1表示數(shù)據(jù)接受寄存器已準備好,數(shù)據(jù)發(fā)送后RRDY置0,等待新的數(shù)據(jù)傳入。
5 結(jié)束語
文中針對炮控系統(tǒng)信號采集,設計了一種可用于可穿戴檢測設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方案通過分時復用擴展了采集通道,壓縮了設備成本與體積;同時以藍牙無線傳輸代替電纜,滿足了可穿戴測試設備對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便攜性和易用性的設計需求。
參考文獻:
[1]吳宏超,劉治紅,吳躍.面向軍工裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].兵工自動化,2017,36(01):22-27.
[2]郝曉明,李杰,黃玉崗.基于ADS8568的八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].傳感技術(shù)學報,2016,29(01):150-154.
[3]楊博,張加宏,李敏等.基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(02):104-107.
[4]蘇志剛,王翔,郝敬堂.基于時分復用技術(shù)的多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計算機工程與設計,2014,35(10):3404-3409.
作者簡介:袁博(1993-),男,河南西平人,碩士研究生,主要研究方向:可穿戴技術(shù)。