The Design of Data Collection System Based on TMS320F2812 DSP Chip
摘 要：介紹了一種基于TMS320F2812 DSP芯片設(shè)計的信號采集系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)硬件組成中信號調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計要點(diǎn)，同時介紹了FIR數(shù)字濾波器在DSP中的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：DSP；信號采集；濾波
Abstract: This paper introduces a kind of data collection system based on Digital Signal Processor TMS320F2812. The paper gives key solutions of sensing signal conditioning and ADC module. Design method of FIR filter used in DSP is also introduced in detail.
Key words: DSP, Data collection, filter
1引言
在工業(yè)控制及各類科學(xué)實驗中，常常需要采集測試現(xiàn)場的各種物理量如：溫度、壓力、位移、速度、加速度等信號并及時進(jìn)行分析處理，以便進(jìn)一步實施控制。TI公司的TMS320系列的C2000芯片是專為工業(yè)自動化和傳感、測量、控制而設(shè)計的。本文針對一個智能隔振裝置中信號類型多樣，極性、幅值大小不同的情況，實現(xiàn)基于TMS320F2812 DSP的信號采集系統(tǒng)，利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)多路信號的高速采集和處理。
2系統(tǒng)硬件組成及工作原理
系統(tǒng)硬件設(shè)計以TMS320F2812為核心，利用運(yùn)放升壓電路和儀表放大器將傳感器信號進(jìn)行調(diào)理，以符合模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的工作范圍。經(jīng)調(diào)理的模擬量送DSP控制器內(nèi)置的12bit A/D轉(zhuǎn)換模塊，同時通過校準(zhǔn)電路提高采樣精度。采集數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理由DSP完成。
2.1信號調(diào)理模塊
2.1.1 升壓電路設(shè)計
智能隔振裝置控制目標(biāo)眾多，測點(diǎn)較多，使用的傳感器類型多樣。由變送器輸出電信號有：±1V雙極型電壓信號、4mA~20mA電流信號。由于F2812的ADC模塊要求0~3V的模擬輸入電壓，為使電平匹配及保護(hù)DSP片內(nèi)的A/D模塊，必須在DSP的A/D模塊前加一個電壓轉(zhuǎn)換電路，將雙極性電壓轉(zhuǎn)換到以ADC半量程為中心的單極性電壓。對于±1V雙極型電壓，通過一個運(yùn)放組成的加法器，調(diào)整ADC輸入電壓范圍在0.5V~2.5V。如圖 1所示，在輸入信號上疊加一直流分量，直流分量的大小可由電位器R5來控制，這樣通過調(diào)節(jié)電位器必然可使輸入到DSP A/D模塊的信號在0.5V~2.5V內(nèi)。
圖 1 運(yùn)放升壓電路
2.1.2 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
4mA~20mA電流傳感器的信號是單端的，這一開始就提出了需要一只簡單的分流電阻器以便把電流轉(zhuǎn)換成電壓加到ADC的高阻抗模擬輸入端。為減少由線路電阻引起的，與電流相關(guān)的失調(diào)誤差，增強(qiáng)抗干擾能力，采用了差分輸入方式檢測電流信號，經(jīng)儀表放大器隔離放大，加到ADC輸入端。圖2示出4mA~20mA的電流型傳感器的信號如何連接到F2812的12bitADC模塊的。
圖2 4mA~20mA接收器電路
儀表放大器是一種高增益、直流耦合放大器,它具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比等特點(diǎn)，可用于放大噪聲環(huán)境中傳感器輸出的弱信號。本系統(tǒng)采用AD627作為ADC前端的前置放大器。它是一種單電源、微功耗儀表放大器，僅使用一只外部電阻器可將增益配置在5~1000之間，它采用3V~30V單電源提供R-R輸出電壓擺幅，在3V電源工作條件下具有僅60µA(典型值)靜態(tài)電源電流，其總功耗小于180µW。[1]
一個 24.9Ω 的分流電阻器在AD627的輸入端產(chǎn)生介于 100 mV（對應(yīng)4mA輸入）與 500 mV（對應(yīng) 20mA 輸入）之間的最大差分輸入電壓。在不存在增益電阻器的情況下，AD627把該500mV輸入電壓放大5倍達(dá)到2.5V，即ADC的滿刻度輸入電壓。
在實際利用儀表放大器的設(shè)計中由于AD627的輸出電壓為相對于基準(zhǔn)端的電壓,為獲得較高的共模抑制比,其REF引腳應(yīng)連接于低阻抗點(diǎn)。所有的儀表放大器都能將通帶外的高頻信號整流；整流后,這些信號在輸出中表現(xiàn)為直流失調(diào)誤差�？梢栽O(shè)計一個低通濾波器來防止不必要的噪聲到達(dá)差分輸入端。在實際應(yīng)用中,屏蔽電纜被用來減少噪聲；為了在整個頻率范圍內(nèi)得到最好的共模抑制比,屏蔽層必須正確地連接。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
電流型傳感器信號是通過上述儀表放大器調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓信號的，電壓型傳感器直接通過運(yùn)放加法器（如OP07DP）進(jìn)入ADC模塊。
2.2.1 F2812 A/D轉(zhuǎn)換器特性
本系統(tǒng)采用TMS320F2812 DSP芯片內(nèi)置12bit A/D轉(zhuǎn)換器，其前端2個獨(dú)立的8選1多路切換器和雙采樣/保持器，構(gòu)成16個模擬輸入通道。通道在數(shù)量上能夠滿足系統(tǒng)傳感器個數(shù)要求，且留有余地；傳感器信號刷新頻率較低，最大不超過10kHz，F(xiàn)2812內(nèi)置ADC在25MHz的ADC時鐘下采樣頻率可達(dá)12.5MSPS，顯然能滿足要求；12bit ADC在3V滿輸入范圍下，具有0.7326mV(3V/4095)極限分辨率，考慮到在上述調(diào)理電路中，3V ADC前端采用5倍增益的儀表放大器，它將電路的系統(tǒng)分辨率從0.7326mV提高到0.1465mV，足以滿足系統(tǒng)測量分辨率的要求。與此同時，該電路將滿刻度范圍降低至600mV（3V/5）。
