16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集中的電路設(shè)計(jì)

張笑彰 高博男

【摘要】? ? 針對煤巖聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)需求，采用定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A設(shè)計(jì)具有24位分辨率的數(shù)據(jù)采集電路，控制接口采用12C接口擴(kuò)展I/O方式實(shí)現(xiàn)，以幀同步方式實(shí)現(xiàn)，采用菊花鏈方式級(jí)聯(lián)，數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡單，低功耗等特點(diǎn)，應(yīng)用于研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)中。

【關(guān)鍵詞】? ? DSP? ? 聲發(fā)射? ? 電路設(shè)計(jì)

煤巖聲發(fā)射檢測是公認(rèn)的有發(fā)展前途的連續(xù)預(yù)測煤礦動(dòng)力災(zāi)害的方法，國內(nèi)已有多套國產(chǎn)系統(tǒng)投運(yùn)，煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集是監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動(dòng)態(tài)范圍，國內(nèi)已有多家單位進(jìn)行相關(guān)研究工作，熊慶國等研制出便于攜帶的單聲通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀，周鳳星等設(shè)計(jì)出能同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號(hào)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)集站。王繼強(qiáng)等分別設(shè)計(jì)了8通道的微震實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。隨著處理器的性能不斷改善，更多通道的煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集成為可能。TMS320VC5509A是一款低功耗，16位定點(diǎn)DSP處理器，具有豐富的外設(shè)，ADS1278的一款工業(yè)級(jí)的24文分辨率同步A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率最高達(dá)144ksps，實(shí)現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集，本文以TMS320VC5509A為核心，擴(kuò)展了2片AD1278，實(shí)現(xiàn)16通道同步數(shù)據(jù)采集。

一、數(shù)據(jù)采集電路原理

數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)工作原理是，TMS320VC5509A首先完成自身資源的配置，通過I2C總線配置I/O狀態(tài)，準(zhǔn)備工作完成后VC5509A發(fā)出同步轉(zhuǎn)換脈沖，傳感器采集煤巖聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后送入ADS1278進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)送入VC5509A的McBSP端口。

由數(shù)據(jù)采集電路原理可知，VC5509A接口是設(shè)計(jì)的核心，接口電路按功能分為控制與數(shù)據(jù)接口，控制接口用于設(shè)置ADS1278工作模式。數(shù)據(jù)接口用于傳輸ADS1278采集數(shù)據(jù)。

二、數(shù)據(jù)采集電路硬件實(shí)現(xiàn)

ADS1278工作模式與通道使能是通過引腳設(shè)定，每篇需設(shè)置引腳14個(gè)。如I/O口完成配置會(huì)造成很大的資源浪費(fèi)，通過I2C控制器掛載兩片PCA935完成配置。

3位撥碼開關(guān)用于設(shè)置PCA955的I2C地址，MODE用于設(shè)置工作模式，CLKDIV用于設(shè)置時(shí)鐘是否減半，對應(yīng)的I/O口寫入低電平時(shí)，指示燈電量。觀察配置是否成功。

ADS1278轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)以串行方式通過引腳輸出，通過VC5509A的McBSP外設(shè)接口接受轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，支持SPI與幀同步協(xié)議，幀同步模式擁有更快的傳輸速度。VC5509A與ADS1278采用幀同步協(xié)議數(shù)據(jù)接口電路，以菊花鏈方式級(jí)聯(lián)，DOUT1連接到U2的DIN輸入，連到VC5509A的DRI引腳，U2和U3擁有相同的SCLK，F(xiàn)SYNC控制信號(hào)。

穩(wěn)定的電源是實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集的必要保障，數(shù)據(jù)采集電路包含ADS1278的1.8V內(nèi)核電源等典型電源，5V模擬電源通過LM7805線性穩(wěn)壓得到，1.8V數(shù)字電源通過高電源抑制比電源芯片TPS73018獲得?；鶞?zhǔn)電路在高精度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)中非常重要，會(huì)直接影響采集電路的精度，采用低噪聲，高精度的電壓基準(zhǔn)芯片為ADS1278提供參考電壓，在將基準(zhǔn)信號(hào)送入ADS1278前添加一級(jí)調(diào)理電路阻抗匹配，使REF5025輸出性能達(dá)到最佳。

三、數(shù)據(jù)采集地層軟件實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集電路地層軟件實(shí)現(xiàn)包括配置與數(shù)據(jù)采集，配置分為對VC5509A初始化，包括CSL庫，GPIO，定時(shí)器，DMA等，對ADS1278參數(shù)的設(shè)置包括通道開啟情況等，數(shù)據(jù)采集工作主要由DMA完成，CPU僅負(fù)責(zé)緩沖區(qū)等操作。

系統(tǒng)上電后首先完成初始化工作，進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，由DMA采集數(shù)據(jù)，DMA存滿緩沖區(qū)后觸發(fā)中斷。CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作返回等待下次中斷。DMA與CPU并行工作，DMA專門負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，CPU負(fù)責(zé)切換緩沖區(qū)，CPU與DMS操作不同的緩沖區(qū)，CPU處理緩沖區(qū)1數(shù)據(jù)。DMA與CPU實(shí)現(xiàn)乒乓切換操作，使DSP發(fā)揮最佳性能。

數(shù)據(jù)采集電路通道多，選取兩組典型通道測試同一信號(hào)，通過Graph工具調(diào)取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)顯示采集信號(hào)波形，測試中設(shè)置ADS1278采樣頻率為9375Hz，橫坐標(biāo)為換算后的時(shí)間信息，縱坐標(biāo)為A/D的實(shí)際數(shù)值。圖中測試信號(hào)頻率為100Hz，兩通道采集信號(hào)波形一致，說明兩通道采樣同步性，通道3信號(hào)頻率為200Hz，通道9信號(hào)頻率為300Hz，通道9信號(hào)頻率為通道3 的1.5倍，說明通道采集不同信號(hào)正確性。兩圖中信號(hào)連續(xù)光滑，說明采集電路的高性能。

結(jié)語：本文針對煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集提出大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集電路解決方案，實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集，可靈活開啟各通道等，采用數(shù)據(jù)采集電路方案，實(shí)現(xiàn)更多通道數(shù)據(jù)同步采集，數(shù)據(jù)采集電路可擴(kuò)展通道數(shù)會(huì)受到工作模式的制約。