基于TCPIP協(xié)議的高精度多路超聲信號采集系統

摘 要: 針對超聲結構探測應用中回波信號信噪比低且動(dòng)態(tài)范圍大的特性，提出了一種基于分布式總線(xiàn)型結構的多路數據采集系統。該系統以DSP器件為控制核心，配合網(wǎng)絡(luò )接口芯片實(shí)現了基于TCP/IP協(xié)議的節點(diǎn)間通信，同時(shí)在信號采集前端采用基于預采樣的自動(dòng)增益技術(shù)，提高了采集精度。通過(guò)測試表明，該系統具有良好的性能，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： DSP；TCP/IP；數據采集

利用超聲波對路橋等建筑進(jìn)行結構檢測時(shí)通常都需要在大空間范圍內進(jìn)行數據采集，傳統的數據采集方式是將遠端各個(gè)傳感器的模擬信號通過(guò)電纜引入近端數據采集板卡，由具有多路A/D轉換功能的數據采集板卡進(jìn)行模數轉換并送入上位機。長(cháng)距離的傳輸模擬信號容易引入較大的噪聲，降低系統的精度。隨著(zhù)嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可以將數據采集節點(diǎn)直接放在各個(gè)傳感器附近進(jìn)行數據采集，將轉換完的數字信號通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳入中心控制節點(diǎn)。本文設計了一個(gè)基于TCP/IP協(xié)議的高精度多路數據采集系統，該系統以TMS320VC5X系列的DSP器件為主控芯片，可以進(jìn)行大空間范圍的高精度數據采集。另外，超聲回波信號通常具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，基于傳統運放的放大技術(shù)不能對信號的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行限制，這使得A/D轉換的精度降低。本文提出了一種基于預采樣的自動(dòng)增益電路，可以將輸入信號調整到A/D轉換器的最佳輸入范圍內，提高了A/D轉換的精度。

1 系統總體設計和性能

1.1 系統的總體設計

本系統分為中心控制節點(diǎn)和若干數據采集節點(diǎn)。系統的拓撲結構為總線(xiàn)型結構，節點(diǎn)間以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。系統開(kāi)始工作后首先由中心節點(diǎn)以UDP廣播報的形式向所有的數據采集節點(diǎn)發(fā)出開(kāi)始采集命令，數據采集節點(diǎn)接到命令后同步開(kāi)始數據采集，采集完一個(gè)包的數據后按照預定的格式以UDP報的形式將數據發(fā)送給中心控制節點(diǎn)。為解決總線(xiàn)型結構通信中常遇到的網(wǎng)絡(luò )擁塞問(wèn)題，本系統將每個(gè)數據采集節點(diǎn)所發(fā)送的第一個(gè)包設計為不同的長(cháng)度，分支節點(diǎn)1在采集完n1個(gè)點(diǎn)后發(fā)送，分支節點(diǎn)2在采集完n2個(gè)點(diǎn)后發(fā)送，…分支節點(diǎn)N在采集完nN個(gè)節點(diǎn)后發(fā)送。以后的數據包都是等長(cháng)的，這就分散了網(wǎng)絡(luò )的負載，使得發(fā)生網(wǎng)絡(luò )擁堵的幾率大大降低[3]。中心控制節點(diǎn)負責將接收到的數據保存入SD卡中。系統的總體框圖如圖1所示。

1.2 系統性能指標

根據實(shí)際需要，本數據采集系統的技術(shù)指標如下：(1)數據采集節點(diǎn)數 1~48道可調；(2)每個(gè)通道最大采樣率：大于100 KS/s；(3)采樣精度：24位；(4)道間串擾抑制比：大于70 dB；(5)采集信號動(dòng)態(tài)范圍：120 dB； (6)每通道的最大傳輸速率：10 Mb/s;(7)儀器噪聲：最大15 μV。

2 系統硬件設計

2.1數據采集節點(diǎn)硬件設計

數據采集節點(diǎn)采用TMS320VC5402A DSP芯片作為主控芯片,其最高處理能力可以達到160 MIPS，具有16 K×16 bit的片上RAM，片上配置了3個(gè)多通道緩沖串口（可配置為SPI模式），具有快速的中斷響應能力，同時(shí)具有多種低功耗模式，這些特性滿(mǎn)足了系統實(shí)時(shí)性和低功耗的要求，同時(shí)其價(jià)格相對低廉，有利于降低系統的成本。模數轉換芯片采用24位高精度A/D轉換芯片AD7767，AD7767采用SPI接口，最高采樣頻率可達128 kS/s,在最高工作頻率下的功耗僅為15 mW。網(wǎng)絡(luò )通信芯片采用RTL8019AS芯片，將RTL8019AS芯片的AUI接口與同軸電纜驅動(dòng)芯片DP8392連接,可實(shí)現基于10Base2的細同軸電纜通信。數據采集節點(diǎn)的框圖如圖2所示。

2.2 自動(dòng)增益模塊設計

在很多場(chǎng)合下，例如超聲檢測，地質(zhì)勘探都需要達到很高的采集精度，目前的24位A/D轉換芯片實(shí)際上并不能真正的達到24位，同時(shí)輸入的模擬信號往往具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，不能處于A(yíng)/D轉換芯片的最佳轉換范圍，因此，本系統采用了基于預采樣和可編程放大器的自動(dòng)增益電路，以提高系統的轉換精度。前端自動(dòng)增益模塊的框圖如圖3所示。

要采集的模擬信號首先經(jīng)過(guò)放大倍數為1的高精度運放OPA227，以提高信號的輸入阻抗，減小A/D轉換器對信號的影響。然后將信號送入8位的高速A/D轉換器TLC5510，進(jìn)行預采樣，將轉換完的結果送入CPLD進(jìn)行編碼，小信號對應較大的放大階碼，大信號對應較小的放大階碼。用此放大階碼控制可編程增益放大器PGA103，達到自動(dòng)增益的目的。同時(shí)DSP讀取CPLD產(chǎn)生的放大階碼，和AD7767采得的數據一起保存，提高采集的精度。

2.3 中心控制節點(diǎn)的設計

中心控制節點(diǎn)主要實(shí)現控制各個(gè)數據采集節點(diǎn)、接收采集的數據并保存入SD卡的功能。中心控制節點(diǎn)的設計框圖如圖4所示。

由于中心控制節點(diǎn)要承擔較為繁雜的控制任務(wù)，并且要保存較大的數據, 所以它的主控芯片采用TMS320VC5509 ADSP芯片。TMS320VC5509A可以在200 MHz的主頻下穩定工作,具有128 KB的片上RAM,同時(shí)可以擴展4 M×16 bit的片外SDRAM，具有支持SD模式和DMA傳輸的SD卡控制器，有利于系統的集成，減小系統的體積。網(wǎng)絡(luò )通信接口的設計與數據采集節點(diǎn)相同。