一种基于DSP的一体化前端采集控制器的设计

2015-05-15方勇宋杰

科技视界 2015年29期

方勇宋杰

（中国人民解放军91550部队，辽宁大连116023）

0 引言

在某些高温高压高速实验场合中，温度、压力、振动等环境参数是是检验被测物体及运动装置的可靠性和可维修性的重要依据，为被测物体的改进提供必要的依据。而这些参数的测量通过热电偶传感器、压力传感器、振动传感器将物理量信息转换成电信号，送给一体化前端采集控制器。一体化前端采集控制器将所接收到的电信号转换为数字量后，将数据保存起来，并可以通过以太网口、RS422及USB口等通讯接口将数据上传至计算机中。计算机可以处理和分析数据，并可以将处理结果用报表、图表的方式打印出来。由于这些实验的无法重复性、复杂性这就对一体化前端采集控制器的设计提出了更高的要求，不仅具备多通道高速采集和大容量存储的功能还应具有很高的可靠性、精确性和电磁兼容性。

1 一体化前端采集控制器工作原理

一体化前端采集控制器的工作原理图如图1所示。一体化前端采集控制器将采集通道、主控部分、数据总线等集成在一起，采用嵌入式计算机技术设计，实现一体化程控，并具有RS422、USB2.0和以太网接口。

图1 一体化前端采集控制器工作原理图

2 硬件设计方案

2.1 主控制部分

每台采集器都有一个主控制板，其作用是通过相应的端口与上位机进行数据交换，并通过控制总线对采集板进行控制与数据交换。组成框图如图2所示。

图2 主控部分组成框图

2.1.1 中央处理器

考虑到系统的高速数据采集、大容量数据存储，通道独立性等特点，数据采集和存储的控制由一个高速32位DSP（数字处理单片机）芯片实现。DSP单片机与普通单片机相比，在运行速度和数据处理能力上都有后者无法比拟的优越性，完全可以满足系统高速采集的要求。在DSP芯片的选择上，采用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定点处理DSP芯片，该芯片不但运行速度高（可达150MHz的主频），处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备，便于接口和模块化设计，其信价比极高。而且它特有的性能是外部存贮空间接口可达1MB、可编程等待状态、三个独立的片选端还有几十个GPIO端口可供选择。此特点用于管理其它采集板通讯双口RAM（IDT7027）提供了很大的方便。芯片内部具有8K×16的片内Flash存储器，可以大大降低系统的体积，而且其功耗也比较低（核心电压1.8V,I/O口电压3.3V）。

2.1.2 主控板CPLD

为方便通道的可扩展性，设计了一套完整的并行数据总线和协议。每块采集板上都有自己的一个控制CPU来进行采集和存储控制，并通过并行数据总线和协议由一块主控制板来与上位机进行数据交换。为增强仪器的可靠性和总线的驱动能力，所以在每块板上都增加了一套总线驱动器，考虑到板子体积大小，将总线驱动器做到了一个CPLD中，其特点就是集成度高，体积小，逻辑更改方便可以通过编程来实现。

2.2 采集通道部分

为了增加板子可靠性和独立性，我们设计中都将每块板子设计成为了相对独立的采集器。由自己控制CPU、采样AD、信号调理前端、存贮磁盘及通讯总线。其组成框图如图3所示。

图3 采集通道部分组成框图

2.2.1 中央处理器

根据仪器需要及与主控部分的编程操作方便，CPU控制器也是选用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定点处理DSP芯片，它还具有3个32位的CPU定时器，运用这三个定时器，可实现AD的定时采集，以达到采样频率：10Hz-160KHz/通道，连续可调。

2.2.2 A/D转换器

A/D转换器是将输入模拟电压信号转换为数字信号的关键部位。设计中采用了AD公司的高速16位A/D转换器AD7663AST芯片。该AD转换器具有高速度、高精度、低功耗、单一电源供电（+5V）等特点，使用其±5V量程档。可以完全满足本测量系统对于测量速度和测量精度16位的要求。

2.2.3 数据存储

数据存储也是数据采集通道中的一个关键部分，它必须满足存储容量和能够掉电保持数据的双重功能。设计中采用静态数据存储器缓存加大容量电子盘（ADC）作为存储介质实现大容量数据存储。电子盘与普通Flash存储器相比，具有速度快、容量大的优点；与普通硬盘相比，存储容量相当，电子盘的工作环境温度更宽、抗冲击振动能力强、体积小、安装形式多，更适合本测量系统。根据程序支持的存贮容量，用户通过上位机软件去选择存储盘的容量，最高可支持512M字节的存储。

2.2.4 双口RAM

增加双口RAM目的是为了实现系统在采集过程中的实时监控功能。当CPU在采样过程中先将AD的采样数据放在静态RAM中，然后再将数据存入电子盘。当采样率比较高的时候CPU的工作频率也就相对比较高。这时靠CPU再与上位机进行数据交换已经来不及了。在不影响采集存储的情况下只有靠主控板自己的CPU把数据从采集RAM取走传给上位机。普通单口RAM只有一个读写操作口无法实现上述功能，而双口RAM有左右两个读写操作口，这样就可以实现了边存储边显示的功能了。而且为增加总线数据传输的速度和方便性，将双口RAM的存储区划分几个不同的区域，每块采集板的所有要与主控板进行交换的数据及命令都靠取RAM中不同区域数据来实现。根据需要选用IDT公司的IDT70V28L芯片，其存储容量为64k X 16位，电源为3.3V。该芯片典型功耗为440mW，待机功耗仅660μW。

2.2.5 信号调理前端

信号调理前端作用就是把传感器的信号归一化为理想的电压信号，再由AD进行采样转换。现在大多数传感器信号输出型式有三种：电荷型、单端电压型、差分电压型。为实现仪器能对多种信号进行采集，所以在采集板上做了三种信号调理电路，通过模拟电子开关及编程的方式来实现信号的切换。

2.3 电源管理模块

为满足野外无外接电源长时间工作需求，选大容量聚合物锂电池，选定制的电池保护电路保证稳定的电流输出。大容量聚合物锂电池可根据需要扩充电量，外置的电池盒可方便拆卸和搬运，在电池盒中设置的温控电路也可保障电池在低温环境下的工作。

3 软件设计

前端采集器需要完成数据采集、数据传输、数据存储3个基本功能，这三部分在系统软件的监控和任务调度下协同运行。软件设计的主要流程图如图4所示。

图4 软件主要流程图

进入数据采集系统后，程序首先对系统初始化，内部计时器开始计时，启动ADC采集数据，主程序进入一个死循环；当ADC转换完毕，进入中断子程序，采集并存储数据，然后将采集的数据存储到硬盘里，以便进行数据处理与分析。

4 可靠性和电磁兼容性设计

4.1 可靠性设计

一体化前端采集控制器设计时，在满足整机主要性能指标的前提下，按照可靠性的要求进行简化设计、降额设计、热设计、三防设计、安全设计等，从简化电路构成、增加元件参数额定使用上限、加强散热效果、采取三防处理、采取绝缘处理等方面考虑，确保了一体化前端采集控制器的可靠性。

4.2 电磁兼容性设计

一体化前端采集控制器在设计中采取一系列电磁兼容及抗干扰措施：电源模块的输入、输出都具有滤波电路；同时在每块印制板的电源入口处放置大电容，在每个组件旁和每个信号的输入接口处放置小电容，从而加强了仪器抗电磁兼容干扰的能力；印刷板采取了去耦措施，电源端、输入输出端加滤波；印刷线路板布线有规则前向布线，尽量缩短布线长度；信号线与回线尽量靠近，平行走线。按电路类型对元件、逻辑组件进行分组，相对集中，相互独立的功能块周围用地线环绕；采用多层印制板，增加电源层及接地层接触面，增强抗干扰能力；对仪器所用元器件严格按照选用标准进行筛选和选用，保证其抗干扰能力；由于整机采用金属壳，具有屏蔽作用，因此会大幅度减少内部噪声辐射到机壳外部。