基于ADS1274的可控式高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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(zhuǎn)振動(dòng)信號采集領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)振動(dòng)側(cè)試儀采用8位或16位單片機(jī)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，并通過模擬調(diào)理電路和數(shù)字調(diào)理電路將該信號進(jìn)行數(shù)字式量化，然后利用處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。但它的總體性能較差，主要表現(xiàn)：MCU功能弱；工作模式簡單；靈活性比較差；采樣精度低；功耗較高。對此采用TMS320VC5502高性能數(shù)字信號處理器(DSP)和ADSl274高精度∑一△結(jié)構(gòu)A／D轉(zhuǎn)換器，構(gòu)建了一個(gè)工作模式可控的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)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，用戶可根據(jù)需要合理選擇系統(tǒng)的工作模式，使測試需求與系統(tǒng)功耗達(dá)到最佳配比。

2、器件選型

2.1 TMS320VC5502簡介

　　TMS320vc5502是一款高性能的DSP?？梢蕴峁┚哂?00 MHz雙MAC的強(qiáng)大性能，可實(shí)現(xiàn)高速、大容量數(shù)字信號處理，現(xiàn)已廣泛用于嵌入式電信設(shè)備、消費(fèi)類音頻、醫(yī)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(qiáng)型主機(jī)接口(HPI)，可實(shí)現(xiàn)雙處理器間的數(shù)據(jù)通訊功能；提供32位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，以實(shí)現(xiàn)與廉價(jià)的SDRAM、SBRAM、異步RAM和Flash存儲(chǔ)器的無縫連接，便于外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展；具有3個(gè)McBSP和6通道DMA，可支持128通道100 Mh／s的內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 ADS1274簡介

　　ADS1274是一款高精度A／D轉(zhuǎn)換器，具有24位精度．是一種寬動(dòng)態(tài)范圍的新型A/D轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)4通道同步數(shù)據(jù)采集。ADS1274具有62 kHz的帶寬，最高采樣頻率可達(dá)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(jié)構(gòu)，具有寬泛的動(dòng)態(tài)范圍和24位無差錯(cuò)編碼；③采用低噪聲增益可編程放大器(PGA)，可擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，提高分辨率；④內(nèi)部采用三階數(shù)字濾波器，可濾除電源波紋和其他干擾；⑤采用多種內(nèi)部自校正技術(shù)，用于校正失調(diào)電壓，校準(zhǔn)滿刻度誤差；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選擇；⑧采用獨(dú)立供電，+5 V模擬電源，1．8 V數(shù)字電源，1．8~3.3 V的I／0電源。ADSl274采用HTOFP一64封裝。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械信號進(jìn)行多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)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(tǒng)通過緩沖串口與A／D轉(zhuǎn)換器通訊．并通過兩路I／O接口實(shí)現(xiàn)對A／D轉(zhuǎn)換器工作模式的控制．通過DSP的增強(qiáng)型HPI接口實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸．其傳輸速度高達(dá)100 Mb／s。TMS320VC一5502能高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、外圍器件和HPI通訊接口的配置，并根據(jù)上位機(jī)ARM控制器傳送來的主機(jī)命令，實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù)．最后將處理后的數(shù)據(jù)包傳輸給上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)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(xiàn)與處理器的連接。該系統(tǒng)通過TMS320VC5502的多通道緩沖串口(McBSP)與ADS1274數(shù)據(jù)傳輸。TMS320VC5502與ADS1274的電路連接如圖1所示。

3.3 信號調(diào)理模塊

　　ADS1274通過設(shè)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(tǒng)設(shè)計(jì)通過運(yùn)放OPA1632后將信號輸入配置為差分輸入方式，具體信號調(diào)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(tǒng)設(shè)計(jì)需要電源模塊電路，以保證系統(tǒng)正常工作。這里，選用TI公司的專用電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)電源電路模塊，如圖3所示。

3.5 ADS1274工作模式

　　由于∑一△結(jié)構(gòu)的A／D轉(zhuǎn)換器由于采用過抽樣理論，允許犧牲速度換取高精度或犧牲精度獲取高采樣頻率，因此通過對過抽樣率的調(diào)整來控制采樣頻率和采樣精度，以滿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種操作模式供用戶選擇，也可通過配置MODE[1：0]引腳信號實(shí)現(xiàn)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引腳來選擇4種模式。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化階段，通過設(shè)置使DSP從GPI-03、GPIO5輸出相應(yīng)的模式選擇信號，從而實(shí)現(xiàn)模式選擇的可控性。同時(shí)，通過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(shù)據(jù)通訊接口

　　AD1274的數(shù)據(jù)輸出接口基于SPI和Frame一Sync兩種協(xié)議，通過控制FORMAT[2：0]引腳來配置數(shù)據(jù)輸出模式。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過DSP的緩沖串口與A／D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)傳輸。通過將FORMAT[2：0]3個(gè)引腳置低，而將數(shù)據(jù)接口配置為SPI協(xié)議的TDM模式。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括TMS320VC5502串口和ADS1274初始化、DSP主程序、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。DSP通過對McBSP復(fù)位并配置McBSP寄存器，完成串口初始化。ADS1274的初始化是通過配置控制寄存器而使數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)由DOUT讀出，然后通過McBSP串口將數(shù)據(jù)傳輸給DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　系統(tǒng)軟件函數(shù)主要包括mcbsp0_init，start_timerO，inter-rupt_init，CSL_init()，PLL_setFreq等。通過配置GPT和GPI0及系統(tǒng)中斷來控制兩個(gè)I／0端口的輸出，以實(shí)現(xiàn)對ADS1274工作模式的控制。

5、結(jié)語

　　在開發(fā)以ARM_DSP雙核架構(gòu)為基礎(chǔ)的便攜式數(shù)據(jù)采集儀中，為解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度、速度和功耗問題，構(gòu)建了一種模式可控的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高性能DSP作為主控制器，動(dòng)態(tài)控制A／D轉(zhuǎn)換器的工作模式．增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性和通用性，使用戶可以根據(jù)任務(wù)靈活選擇A/D轉(zhuǎn)換器的工作模式，以使系統(tǒng)工作在最佳的功耗和性能配比下。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)打破了以往A／D轉(zhuǎn)換器固定工作模式的設(shè)計(jì)理念，為構(gòu)建嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一個(gè)更靈活、通用的解決方案。