基于DSP和USB的三維感應測井數據采集系統研究
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數據采集是DSP|0">DSP最基本的應用領(lǐng)域，本文設計的數據采集系統利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。該芯片的主要特點(diǎn)有：150 MI/s（百萬(wàn)條指令/秒）的執行速度使得指令周期減小到6.67ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；采用哈佛總線(xiàn)結構，具有高性能的32位的CPU，在一個(gè)周期內能夠實(shí)現32位×32位或兩個(gè)16位×16位的乘法累加操作，具有快速中斷響應與處理能力；TMS320F2812應用大量外設接口簡(jiǎn)化了電路設計；提供了足夠的處理能力，使一些復雜的實(shí)時(shí)控制算法的應用成為可能。
USB|0">USB是現在應用廣泛的一種高速通用串行總線(xiàn)協(xié)議。本文利用Philips公司的PDIUSBD12芯片。將USB協(xié)議應用于以DSP為核心的嵌入式系統，可以大大提高DSP系統與計算機的通信能力，從而拓寬DSP的應用范圍。本文利用DSP和USB設計的數據采集系統，符合三維感應測井多通道數據采集的需要。
數字采集系統設計
數據采集系統的結構框圖如圖1所示，主要包括DSP、前置放大電路、信號調理電路、USB通訊接口，由于三維感應測井有3個(gè)Z軸向接收線(xiàn)圈和7組三分量接收線(xiàn)圈構成，所以采用了7組多路開(kāi)關(guān)。在一個(gè)數據采集系統中，A/D轉換器是采集系統的核心。在基于TMS320F2812的數據采集系統中，選用了芯片嵌入式的ADC模塊。
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圖1 三維感應測井數據采集系統結構框圖 |
信號調理電路
由于本采集系統用于三維感應測井中，它對信號采集的精度要求高，因為被采信號頻率較高，采樣通道多，所以結果分析對原始數據的依賴(lài)性強。本設計信號調理電路分為前置放大器、帶通濾波器、程控增益放大器、陷波器四部分。
前置放大器設計
前置放大器的噪聲系數對整個(gè)采集系統的噪聲特性具有重要的影響。因為它所產(chǎn)生的噪聲會(huì )被后續各級放大器逐級放大，所以在選擇放大器時(shí)低噪聲指標非常重要。在研制低噪聲放大器時(shí)，應該抓住低噪聲這個(gè)關(guān)鍵指標來(lái)分析、計算并設計電路。目前，可用噪聲指標比較好的集成電路來(lái)設計低噪聲放大電路。
由于測井時(shí)被采信號一般為微伏級，因此本設計采用INA128儀用差分放大器，它的最大輸入失調電壓為50μV，溫度系數為0.5μV/℃，最大輸入失調電流為5nA，同時(shí)還有很寬的電源電壓范圍，可以在±2.25V到±18V的供電電壓范圍內穩定工作。電壓增益可以通過(guò)外接電阻改變，在1腳和8腳之間外接不同的電阻R，電壓增益可以在0-10000的范圍內變化，其計算公式為。當電壓增益大于100時(shí)，INA128的輸入共模抑制比達到120dB，對輸入信號的共模干擾起到了很好的抑制作用。
用MAX267 設計帶通濾波器
在三維感應測井中所設定的有用信號的帶寬為20kHz到250kHz，因此選用MAX267設計一種帶通增益放大器。MAX267內部含有2個(gè)獨立的二階開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器，它有12個(gè)可編程輸入端，其中F0~F4為濾波器中心頻率設置輸入端，分別接低電平或高電平，可以將中心頻率設置為時(shí)鐘頻率的1/10，另外Q0~Q6為品質(zhì)因數設置輸入端，分別接低電平或高電平，可以在0.5~64 之間設置濾波器的品質(zhì)因數。因此，不需要外加任何元件，而僅需外部時(shí)鐘就可以實(shí)現帶通濾波功能，使用極為方便。帶通特性曲線(xiàn)如圖2所示。
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圖2 帶通特性曲線(xiàn) |
其傳遞函數 G(S)為：
fL和fH分別為：
程控增益放大器設計
程控放大器是在DSP的控制下，將初級放大的信號放大到ADC的轉化區間內，以提高儀器的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度?？紤]到器件的低頻噪聲特性和提高共模抑制比等因素，選擇了PGA204、PGA205組合，其共模抑制最高可達120dB。本設計采用了兩級程控反向差分的方法，并且兩級程控放大采用直接耦合差動(dòng)連接的方式。原理如圖3示。
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圖3 兩級程控放大級聯(lián)原理圖 |
其中兩個(gè)級聯(lián)的第一級程控差分放大器由兩片PGA205實(shí)現，兩片PGA205的輸出分別作為PGA204的正負輸入端，于是就構成了第二級程控差分放大器。PGA204的可控放大倍數為1，10，100，1000；PGA205的可控放大倍數為1，2，4，8。所以，級聯(lián)后程控放大部分的可控放大倍數可有16種組合方式。
陷波器設計
50Hz的工頻干擾是數據采集系統中不可避免的，它會(huì )嚴重影響到前方和主放的穩定性。所以此處利用高性能器件MC33171構成50Hz陷波器，MC33171具有寬頻帶和較高的轉換速率。圖4為基于MC33171的50Hz陷波器電路，在圖示的元件數值下，通過(guò)改變兩個(gè)電阻R的值和一個(gè)電容C的值，可獲得陷波頻率，其數值為：f=1/4πRC。取R=16K，C=0.1μF可得陷波頻率為50Hz。
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圖4 陷波器電路 |
A/D采樣設計
TMS320F2812的ADC模塊
TMS320F2812芯片中集成了一個(gè)12位A/D轉換模塊。為了滿(mǎn)足系統多傳感器的需求，F2812的A/D轉換模塊有16個(gè)通道，可配置為兩個(gè)8通道模塊，這樣就形成了兩個(gè)A/D轉換器。在內部邏輯的控制下，用戶(hù)可同時(shí)啟動(dòng)這兩個(gè)或是其中某一個(gè)A/D轉換模塊。
F2812的ADC模塊是嵌入式的，它與傳統的A/D相比具有以下特點(diǎn)：A/D模塊的硬件資源配置好了之后，用戶(hù)可以用軟件指令隨時(shí)啟動(dòng)A/D采樣，并獲得A/D轉換的結果。同傳統A/D不同的是，采集功能單元的硬件資源配置還有一部分是通過(guò)軟件完成的。
在TMS320F2812芯片中，A/D轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路開(kāi)關(guān)（MUX）、采樣/保持（S/H）電路、A/D轉換內核以及其他模擬輔助電路。A/D轉換單元的數字電路包括可編程轉換序列器、結果寄存器、與模擬電路的接口等。圖5為ADC模塊的構成框圖。
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圖5 ADC模塊構成框圖 |
ADC模塊功能包括：
1）內置雙采樣/保持（S/H）的12位A/D轉換模塊，模擬輸入為0-3V。
2）同時(shí)或順序采樣模式。
3）快速轉換時(shí)間，可運行在25MHz的數模轉換時(shí)鐘或12.5MSPS。
4）多輸入通道達16通道。
5）自動(dòng)排序能力。一次可執行多達16通道的“自動(dòng)抓換”。
6）兩個(gè)獨立的可選擇8個(gè)模擬通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可獨立工作于雙排序器模式，或級聯(lián)后工作在可選擇16個(gè)模擬轉換通道的排序器模式。
7）可分別訪(fǎng)問(wèn)的16個(gè)結果寄存器用來(lái)保存轉換結果。
其中，ADCLO是A/D轉換低電壓參考值。
8）使用多個(gè)觸發(fā)信號啟動(dòng)數模轉換（SOC），比如：
? S/W：軟件立即啟動(dòng)。
? EVA：時(shí)間管理器EVA（在EVA中有多個(gè)時(shí)間源可以啟動(dòng)轉換）。
? EVB：時(shí)間管理器EVA（在EVB中有多個(gè)時(shí)間源可以啟動(dòng)轉換）。
9）在雙排序模式下，EVA和EVB觸發(fā)器可各自獨立的出發(fā)SEQ1和SEQ2。
10）中斷控制方式靈活，可在每次轉換結束或每隔一次轉換結束發(fā)出中斷。
數據采集系統A/D采樣設計
本系統信號輸入設計為24路。DSP本身的A/D輸入通道是16路，所以要外接多路模擬轉換器進(jìn)行擴展。在電路設計中，使用3條DSP的A/D輸入通道ADCINA0- ADCINA2，每一通道掛接一片8輸入1輸出多路模擬轉換器4051，這樣就可以擴展為24路模擬信號輸入。為了減小信號通道之間切換帶來(lái)的串擾，需在通道切換后加放大器減小信號輸入阻抗，為了減小A/D轉換產(chǎn)生的誤差，用兩路己知信號電平輸入引入信號參考，提高采集精度。圖6展示了TMS320F2812內嵌的A/D轉換模塊與輸入信號之間的接口。
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圖6 A/D模塊與信號接口 |
對于每一個(gè)轉換，CONVxx位確定采樣和轉換的外部模擬量引腳。使用順序采樣模式時(shí)，CONVxx的4位都用來(lái)確定輸入引腳，最高位確定采用哪個(gè)采樣并保持緩沖器，其他3位定義偏移量。例如，如果CONVxx的值是0001b，ADCINA1就被選為輸入引腳。如果CONVxx的值是1111b，ADCINB7被選為輸入引腳 。
TMS320F2812 ADC的精度校正
理想情況下，F2812的ADC模塊轉換方程為y =x ? mi，x=輸入電壓×4095/3，y為輸出計數值。在實(shí)際中，ADC的誤差不可避免，定義有增益誤差和失調誤差的轉換方程為y=x ? ma±b，式中ma為實(shí)際增益，b為失調誤差。F2812的ADC理想狀態(tài)與實(shí)際轉換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調誤差，因此必須對這兩種誤差進(jìn)行補償。校正方法如下：選用ADC的任意兩個(gè)通道作為參考輸入通道，分別提供給它們已知的直流參考電壓作為輸入（兩個(gè)電壓不能相同），通過(guò)讀取相應的結果寄存器獲取轉換值，求得校正增益和校正失調，再利用這兩個(gè)值對其他通道的轉換數據進(jìn)行補償，從而提高了ADC模塊轉換的精準度。圖7顯示了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調。
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圖7 理想轉換與實(shí)際ADC轉換 |
TMS320F2812與PDIUSBD12接口設計
TMS320F2812與PDIUSBD12之間采用并口連接方式，并且都工作在3V電壓下，給PDIUSBD12分配一個(gè)片選，可以通過(guò)讀寫(xiě)地址對其進(jìn)行操作，它們之間的電氣連接不需要特殊處理，按照管腳功能一一對應連接即可。圖8是TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖。
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圖8 TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖 |
系統軟件設計
該數據采集系統可以通過(guò)USB接口直接與PC機相連，在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下通過(guò)JTAG接口來(lái)調試、燒寫(xiě)程序，可使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現。
主程序流程
圖9是系統主程序流程圖。在系統上電之后，先對DSP的時(shí)鐘等系統參數進(jìn)行初始化，然后對片上A/D、I/O、存儲器設備等進(jìn)行初始化，再對USB設備初始化，之后程序進(jìn)入循環(huán)等待主機通過(guò)USB口發(fā)送命令，然后對命令進(jìn)行相應處理。
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圖9 系統主程序流程圖 |
A/D轉換流程
在使用TMS320F2812的內嵌A/D轉換器進(jìn)行數據采集時(shí)，首先對A/D進(jìn)行初始化，并且設置中斷程序入口地址，通過(guò)Timer中斷的配置控制采樣頻率。在開(kāi)啟中斷后，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，它將A/D轉換結果讀入數組Ad_data1[ ]中，并重新啟動(dòng)A/D，進(jìn)行數據轉換，如此循環(huán)往復。流程圖如圖10所示。
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圖10 系統程序流程圖 |
結束語(yǔ)
本文利用TMS320F2812與PDIUSBD12相結合，設計了一套三維感應測井探測器的數據采集系統。其接口電路簡(jiǎn)單，采集精度高，可完成對24路通道的同時(shí)采樣和順序采樣，并且能對單通道實(shí)行多次采樣。系統還采用了USB接口，采集到的數據經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)USB上傳到主機，由上層軟件進(jìn)一步處理，從而能夠更有效地測得油井中的油氣分布。
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