基于A(yíng)DS1274的可控式高精度數據采集系統

1、引言

　　便攜式振動(dòng)測試分析儀憑借其輕巧方便，適用范圍廣，靈活性高，測量對象多的特點(diǎn)。在旋轉振動(dòng)信號采集領(lǐng)域取得了廣泛應用。傳統振動(dòng)側試儀采用8位或16位單片機作為其控制器，用加速度傳感器或其他傳感器采集振動(dòng)物理信號，并通過(guò)模擬調理電路和數字調理電路將該信號進(jìn)行數字式量化，然后利用處理器對數據進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。但它的總體性能較差，主要表現：MCU功能弱；工作模式簡(jiǎn)單；靈活性比較差；采樣精度低；功耗較高。對此采用TMS320VC5502高性能數字信號處理器(DSP)和ADSl274高精度∑一△結構A／D轉換器，構建了一個(gè)工作模式可控的高精度數據采集系統。該系統具有高精度多通道同步采樣和工作模式動(dòng)態(tài)選擇等功能，用戶(hù)可根據需要合理選擇系統的工作模式，使測試需求與系統功耗達到最佳配比。

2、器件選型

2.1 TMS320VC5502簡(jiǎn)介

　　TMS320vc5502是一款高性能的DSP?？梢蕴峁┚哂?00 MHz雙MAC的強大性能，可實(shí)現高速、大容量數字信號處理，現已廣泛用于嵌入式電信設備、消費類(lèi)音頻、醫療、生物辨識和工業(yè)傳感器等領(lǐng)域。TMS320VC5502既提供了16／8位加強型主機接口(HPI)，可實(shí)現雙處理器間的數據通訊功能；提供32位外部存儲器接口(EMIF)，以實(shí)現與廉價(jià)的SDRAM、SBRAM、異步RAM和Flash存儲器的無(wú)縫連接，便于外部存儲器擴展；具有3個(gè)McBSP和6通道DMA，可支持128通道100 Mh／s的內外部數據傳輸。

2.2 ADS1274簡(jiǎn)介

　　ADS1274是一款高精度A／D轉換器，具有24位精度．是一種寬動(dòng)態(tài)范圍的新型A/D轉換器，可實(shí)現4通道同步數據采集。ADS1274具有62 kHz的帶寬，最高采樣頻率可達128KS／s。主要特性包括：①采用差動(dòng)輸入方式，所以輸入端可直接與傳感器或微小的電壓信號相連；②采用∑一△結構，具有寬泛的動(dòng)態(tài)范圍和24位無(wú)差錯編碼；③采用低噪聲增益可編程放大器(PGA)，可擴展動(dòng)態(tài)范圍，提高分辨率；④內部采用三階數字濾波器，可濾除電源波紋和其他干擾；⑤采用多種內部自校正技術(shù)，用于校正失調電壓，校準滿(mǎn)刻度誤差；⑥提供SPI或FRAME-SYNC接口；⑦提供高速、高分辨率、低功耗和低速4種工作模式可以供用戶(hù)選擇；⑧采用獨立供電，+5 V模擬電源，1．8 V數字電源，1．8~3.3 V的I／0電源。ADSl274采用HTOFP一64封裝。

3、系統硬件設計

3.1 系統總體設計

　　該系統需要實(shí)現對旋轉機械信號進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)數據采集、預處理以及與上位機之間的數據傳輸等功能。該系統采用TMS320VC5502作為主控制器件，片上資源豐富，可提供全雙工緩沖串口以及多路I／0接口。系統通過(guò)緩沖串口與A／D轉換器通訊．并通過(guò)兩路I／O接口實(shí)現對A／D轉換器工作模式的控制．通過(guò)DSP的增強型HPI接口實(shí)現采集數據與上位機的數據傳輸．其傳輸速度高達100 Mb／s。TMS320VC一5502能高效地實(shí)現系統初始化、外圍器件和HPI通訊接口的配置，并根據上位機ARM控制器傳送來(lái)的主機命令，實(shí)時(shí)采集和處理數據．最后將處理后的數據包傳輸給上位機顯示、存儲和高級處理。

3.2 TMS320VC5502與ADSl274的接口電路

　　ADS1274提供SPI或FRAME—SYNC接口，可方便地實(shí)現與處理器的連接。該系統通過(guò)TMS320VC5502的多通道緩沖串口(McBSP)與ADS1274數據傳輸。TMS320VC5502與ADS1274的電路連接如圖1所示。

3.3 信號調理模塊

　　ADS1274通過(guò)設置可以采用單端輸入和差分輸入兩種模式。差分輸入可有效抑制零漂和消除信號共模干擾，因此系統設計通過(guò)運放OPA1632后將信號輸入配置為差分輸入方式，具體信號調理電路如圖2所示。

3.4 電源模塊

　　TMS320VC5502需提供+3．3 V(I/O電源)和1．26 V(DSP核電源)兩種不同的供電電源，而ADSl274需對10VDD(+3．3V)、AVDD(+5 V)、DVDD(+1．8 V)分別供電，兇此系統設計需要電源模塊電路，以保證系統正常工作。這里，選用TI公司的專(zhuān)用電源轉換器設計電源電路模塊，如圖3所示。

3.5 ADS1274工作模式

　　由于∑一△結構的A／D轉換器由于采用過(guò)抽樣理論，允許犧牲速度換取高精度或犧牲精度獲取高采樣頻率，因此通過(guò)對過(guò)抽樣率的調整來(lái)控制采樣頻率和采樣精度，以滿(mǎn)足不同信號的采樣需求。ADS1274可提供高速、高分辨率、低功耗和低速4種操作模式供用戶(hù)選擇，也可通過(guò)配置MODE[1：0]引腳信號實(shí)現模式控制。將ADSl274的模式選擇引腳MODE[1：0]連接到DSP巾的通用I/0端GPI03和GPI05引腳來(lái)選擇4種模式。在數據采集系統初始化階段，通過(guò)設置使DSP從GPI-03、GPIO5輸出相應的模式選擇信號，從而實(shí)現模式選擇的可控性。同時(shí)，通過(guò)DSP的定時(shí)器給ADS1274輸出時(shí)鐘，從而更精確地控制4個(gè)通道的同步采樣頻率。

3.6 數據通訊接口

　　AD1274的數據輸出接口基于SPI和Frame一Sync兩種協(xié)議，通過(guò)控制FORMAT[2：0]引腳來(lái)配置數據輸出模式。該系統設計通過(guò)DSP的緩沖串口與A／D轉換器數據傳輸。通過(guò)將FORMAT[2：0]3個(gè)引腳置低，而將數據接口配置為SPI協(xié)議的TDM模式。

4、系統軟件設計

　　系統軟件設計主要包括TMS320VC5502串口和ADS1274初始化、DSP主程序、驅動(dòng)程序和應用程序。DSP通過(guò)對McBSP復位并配置McBSP寄存器，完成串口初始化。ADS1274的初始化是通過(guò)配置控制寄存器而使數據、寄存器地址和配置信息在同一串口傳輸，ADS1274采用SPI和FRAME-SYNC通信模式，數據由DOUT讀出，然后通過(guò)McBSP串口將數據傳輸給DSP進(jìn)行數據處理。

　　系統軟件函數主要包括mcbsp0_init，start_timerO，inter-rupt_init，CSL_init()，PLL_setFreq等。通過(guò)配置GPT和GPI0及系統中斷來(lái)控制兩個(gè)I／0端口的輸出，以實(shí)現對ADS1274工作模式的控制。

5、結語(yǔ)

　　在開(kāi)發(fā)以ARM_DSP雙核架構為基礎的便攜式數據采集儀中，為解決系統數據采集精度、速度和功耗問(wèn)題，構建了一種模式可控的高精度數據采集系統。該系統采用高性能DSP作為主控制器，動(dòng)態(tài)控制A／D轉換器的工作模式．增強了嵌入式系統的應用靈活性和通用性，使用戶(hù)可以根據任務(wù)靈活選擇A/D轉換器的工作模式，以使系統工作在最佳的功耗和性能配比下。該系統設計打破了以往A／D轉換器固定工作模式的設計理念，為構建嵌入式數據采集系統提供了一個(gè)更靈活、通用的解決方案。