基于DSP的多方式数据采集系统研究

吉庆昌 ,刘 韦 ,刘欣彤

(河北工程技术高等专科学校 电气自动化系,河北 沧州 061001)

通过安装敏感方向相互正交的3个角速度传感器和3个加速度传感器,利用 A/D转换器和DSP采集传感器数据,从而获得载体的姿态和速度信息,完成对载体的导航与控制[1]。普通的多通道数据采集系统是利用模拟多路开关进行切换,这样在各路信号之间存在采样时差,数据的不同步是造成解算误差的重要原因之一。若想实现数据的同步采集,需外置多片采样保持器、模拟转换开关,再辅以同步信号产生电路、多路抗混叠滤波电路等,系统结构复杂[2]。鉴于需要实时同步采集6路传感器信号和多通道 A/D转换器的特点,采用一个高精度多通道同步采样的A/D转换器对于该系统尤为重要。系统的温度误差补偿通过设置温度传感器实现,由于温度变化缓慢,对同步性要求不高,利用相对低精度的A/D转换器采集温度信号。

1 主要器件简介

1.1 DSP芯片TMS320F2812

TMS320F2812(以下简称:F2812)内部拥有一个12位的增强型A/D转换器,其中两个独立的 8通道模拟开关可同时采集不同种类的信号。 F2812外设包含1个SPI口和1个多通道缓冲串口McBSP两者均可以和AD73360的同步串行接口SPROT进行通讯。另外F2812是32位的主频150M Hz的数字信号处理器,可用于处理高精度的数字运算。在存储器方面,F2812包括128K字的FLASHM EMORY、18K字的片上RAM和4K字的 BOOT ROM[3][4]。为了满足要求DSP内部需要有多于6通道的 A/D转换器、兼容 AD73360串口通讯的外设、还要具有足够高运算速度以及一定空间的FLASH和RAM。它主要负责采集传感器数据,对数据进行误差补偿和载体姿态、速度的解算,最后将结果通过串口发送给上位机。

1.2 A/D转换芯片 AD73360

AD73360是具有 6路模拟信号输入、16位分辨率数据输出的 A/D转换器,由于每路通道均包含独自的信号调理器、可编程放大器和A/D转换部分,因此能保证 6路模拟信号的同步采样。在数字接口方面,AD73360的 16位同步串口SPORT可以和F2812的SPI或McBSP口连接实现双向同步通讯,SPORT有3种工作模式:编程模式、数据模式和混合模式。编程模式只接收控制命令字,用于对各个控制寄存器的设置;数据模式只输出采样数据;混合模式允许在输出采样数据的过程接收控制字[5]。

2 多方式数据采集系统的组成

基于DSP的多方式数据采集系统由传感器、电压跟随电路、A/D转换、电源模块、DSP模块和外部通讯模块组成,如图1所示。传感器部分由姿态传感器、速度传感器和温度传感器组成。敏感方向相互正交安装的姿态传感器和速度传感器可实时输出载体的3个方向的角加速度和线加速度信息,温度传感器用于输出 6个惯性传感器的温度信号。每路信号都经过电压跟随电路后输入 A/D转换芯片,6通道16位高精度A/D转换器AD73360用于接收角加速度和线加速度信号,并将转换后的数字量信号通过多路缓冲同步串口McBSP输入DSP中。外部通讯模块负责将解算结果传给上位机,电源模块提供系统各个模块所需要的电压。

图1 基于DSP的多方式数据采集系统组成图

3 电路接口和软件设计

3.1 F2812与 AD73360的接口设计

F2812与 AD73360的接口设计是本系统的设计难点和关键部分。考虑到 F2812的McBSP口应用灵活性,系统利用McBSP口和AD73360的SPORT口连接,McBSP口有6条信号线,其中3条用于发送数据,分别是发送数据端MDXA、发送帧同步端MFSXA和发送数据时钟端MCLKXA;另外3条用于接收数据,分别是接收数据端MDRA、接收帧同步端M FSRA和接收数据时钟端MCLKRA[6]。 AD73360的 SPORT口也包括6条信号线,分别是串行数据输出端 SDO、数据输出帧同步端 SDOFS、串行数据输入端 SDI、数据输入帧同步端 SDIFS、同步时钟SCLK和串行接口使能端 SE。两者之间的信号线连接方式如图2所示,AD73360的输出帧同步端SDOFS和输入帧同步端 SDIFS共同和DSP的两个帧同步端 MFSRA和MFSXA相连,同步时钟SCLK端也同时连到 DSP的两个时钟端 MCLKXA和MCLKRA。 DSP的两个通用 I/O口GPIOB10、GPIOB12连接到 AD73360的复位端和使能端 SE,实现对 AD73360的控制。为了使 AD73360和F2812的I/O接口电平相匹配,在 AD73360输出到 F2812的信号还需增加电平转换电路。

图2 AD73360与 F2812的接口连接图

3.2 其他电路

系统的电路连接还包括 F2812外围电路、数据采集电路和电源模块等。F2812的外围电路主要有晶体振荡器电路、复位及看门狗电路、JT AG调试电路和工作模式设置等组成。

数据采集电路部分采用 A/D转换芯片和DSP本身的 A/D转换模块两种方式,3路角加速度信号和3路线加速度计信号对精度和同步性要求比较高,采用16位高精度同步 A/D转换芯片 AD73360进行采集,信号经电压跟随后接入 AD73360的正向输入端,反向输入端接入2.5V的参考电压。为了滤去信号中的高频干扰,在输入端设置了低通滤波器。 6路温度信号接到F2812的 ADCINA2～ADCINA7端口,另外将模拟地接入 ADCINA1端口用于检测模拟端的干扰。

电源模块负责将外部输入电压转换为系统内部需要的各种电压,本系统包含的模块比较多,所以电源模块的设计尤为重要。在系统中需要提供给AD73360的+5V模拟电压,而DSP则需要+3.3V的I/O电压、+3.3V的 A/D模块的模拟电压、+1.8V的内核电压和+1V、+2V的参考电压,同时系统中的外围芯片需要用到+5V的数字电压。在电源模块设计中,必须保证整个系统工作在“一个地”的基准上,所以在 PCB板上模拟地和数字地必须在某点接地。

3.3 软件设计

F2812的程序在CCS3.3下编写、调试和运行,流程图如图3所示。其中DSP的初始化包括PLL设置、中断设置、PIE设置、GPIO设置、定时器设置、McBSP接口设置以及 ADC设置等。为了和AD73360工作方式吻合,设置 McBSP包括发送、接收帧同步和时钟均为外部输入;发送、接收的每个帧同步传送宽度为16位;发送端(接收端)相邻两个帧同步延时为1个数据位;发送中断由 XRDY标志触发,接收中断由 RRDY标志触发。通过McBSP来配置 AD73360主要包括设置分频因子配置发送时钟SCLK;设置 A/D的采样频率;AD73360初始化流程图如图4所示。

4 结束语

针对惯性传感器数据采集的特点,利用 6通道同步 A/D转换芯片AD73360和 TMS320F2812内部的A/D转换模块设计了一种多方式数据采集系统。16位分辨率 6通道同步输入的 AD73360负责采集精度和同步性要求比较高的 3路线加速度和3路角加速度信号;片内12位分辨率的 A/D模块负责采集精度和同步性要求相对较低的温度信号。结果表明,该系统实现了惯性传感器模拟通道的同步采样,解决了采样时差给数据解算造成的误差,满足了信号采集中的不同精度要求。

[1]秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社,2006.

[2]毛晓波等.TMS320F2407与 AD73360接口电路设计 [J].矿山机械,2007,35(7):104-107.

[3]苏奎峰,吕强,耿庆峰,等.TM S320F2812原理与开发 [M].北京:电子工业出版社,2005.

[4]美国 TI公司.TMS320x281x数据手册 [Z].美国 TI公司,2004.

[5]美国 AD公司.AD73360数据手册 [Z].美国 AD公司 ,2000.

[6]美国 TI公司.TMS320F28x多通道缓冲串口参考手册 [Z].美国 TI公司,2002.