基于DSP的16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

摘要：針對煤巖聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)的需求，采用16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A和高精度A／D轉(zhuǎn)換器ADS1278設(shè)計(jì)了一種具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集電路。控制接口采用I2C接口擴(kuò)展I／O的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)接口采用McBSP接口以幀同步方式實(shí)現(xiàn)，2片ADS1278采用菊花鏈的方式級(jí)聯(lián)。給出了硬件電路、底層軟件和測試結(jié)果，該數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡單、高性能、低功耗、設(shè)置靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用于課題組研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：DSP；聲發(fā)射；高精度；多通道；同步數(shù)據(jù)采集

煤巖聲發(fā)射監(jiān)測，又名微震監(jiān)測，是一種公認(rèn)的很有發(fā)展前途的連續(xù)預(yù)測煤礦動(dòng)力災(zāi)害的方法。目前國內(nèi)已經(jīng)有多套國產(chǎn)和引進(jìn)的系統(tǒng)投入使用。其中，煤巖聲發(fā)射信號(hào)的采集是該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一，它要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動(dòng)態(tài)范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)已有多家單位進(jìn)行了相關(guān)的研究工作：熊慶國等采用單片機(jī)+DSP的方案研制出便于攜帶的具有16位分辨率的單通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀；周鳳星等采用C8051F022核心控制器，設(shè)計(jì)出能夠同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號(hào)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集站：潘一山等研制的礦震監(jiān)測定位系統(tǒng)采用了16位、8通道的數(shù)據(jù)采集器；王繼強(qiáng)等以TMS320VC5402處理器，分別設(shè)計(jì)了8通道、16位分辨率的微震實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展，處理器和A／D轉(zhuǎn)換器的性能都在不斷改善，使得更多通道、更高分辨率的煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集成為可能。TMS320 VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定點(diǎn)DSP處理器，其主頻最高可達(dá)200 MHz，具有豐富的外設(shè)，適用于大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和處理。ADS1278是TI公司推出的一款工業(yè)級(jí)的24位分辨率、8通道同步A／D轉(zhuǎn)換器，具有優(yōu)良的AC和DC性能，采樣率最高可以達(dá)144 ksps，并且可通過菊花鏈的方式級(jí)聯(lián)多片，實(shí)現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集。文中以DSP處理器TMS320VC5509A為核心，通過菊花鏈的方式擴(kuò)展了2片ADS12 78，實(shí)現(xiàn)了24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集電路的工作原理

數(shù)據(jù)采集電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其工作原理為：系統(tǒng)上電后，TMS320VC5509A(以下簡稱VC5509A)首先完成對自身資源的配置，然后通過I2C總線配置PCA9535的I／O口狀態(tài)，完成對ADS1278的基本配置。待以上準(zhǔn)備工作完畢后，VC5509A發(fā)出一個(gè)同步轉(zhuǎn)換脈沖，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；這時(shí)，前端傳感器采集的煤巖聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波等預(yù)處理后送入ADS1278進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。最后，各通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以時(shí)分復(fù)用的形式送入VC5509A的McBSP端口，完成數(shù)據(jù)的采集。

由數(shù)據(jù)采集電路的原理框圖可以看出，VC5509A與ADS1278的接口是該設(shè)計(jì)的核心。該接口電路按功能劃分為兩部分：一個(gè)是控制接口，用于設(shè)置ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸模式和通道使能情況：另一個(gè)是數(shù)據(jù)接口，用于傳輸ADS1278采集的數(shù)據(jù)。此外，電源和基準(zhǔn)電路也是該數(shù)據(jù)采集電路的重要組成部分，下文將詳細(xì)介紹。

2 數(shù)據(jù)采集電路的硬件實(shí)現(xiàn)

2．1 VC5509A與ADS1278控制接口電路設(shè)計(jì)

ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)輸出模式和通道使能都是通過引腳來設(shè)定的，每片需要設(shè)置的引腳多達(dá)14個(gè)。倘若采用VC5509A的I／O口完成配置，勢必造成很大的資源浪費(fèi)。本文通過VC5509A的I2C控制器掛載了兩片PCA9535來完成對ADS1278的配置，只占用兩個(gè)引腳。

圖2給出了單片ADS1278與VC5509A的控制接口電路，其中，3位撥碼開關(guān)用于設(shè)置PCA9535的I2C地址；PWDN[8：1]用于設(shè)置各通道的開啟情況；MODE[1：0]用于設(shè)置工作模式；FORMAT[2：0]用于設(shè)置串行數(shù)據(jù)輸出的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式；CLKDIV用于設(shè)置時(shí)鐘是否減半；LED指示引腳連接一個(gè)用戶指示燈，當(dāng)向?qū)?yīng)的I／O口寫入低電平時(shí)，該指示燈點(diǎn)亮，可據(jù)此觀察PCA9535配置是否成功。