基于TMS320F2812與AD976的數據采集系統的設計與實現

趙 麗，肖龍騰，胡叨福，楊耿煌，孟慶國

（天津工程師范學院 信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

基于TMS320F2812與AD976的數據采集系統的設計與實現

趙 麗，肖龍騰，胡叨福，楊耿煌，孟慶國

（天津工程師范學院 信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

設計并完成了一個基于數字信號處理器TMS320F2812與16位高速A/D芯片AD976的數據采集系統，該系統以高性能數字信號處理器為中心，以AD976為功能模塊，設計實現了信號數據的高速、高精度采集。

TMS320F2812；數據采集；數字信號處理

數據采集的主要任務是將傳感器采集到的模擬電壓或電流信號不失真地轉換為數字信號，并傳輸給微處理器分析。高速、高精度的數據采集在許多對信號分析要求很高的監測系統，如環境檢測、振動監測中具有十分重大的意義[1]。

數據的高速、高精度的采集，主要與系統使用的功能芯片有關，高性能的控制處理芯片、高精度高速的AD轉換芯片是實現高速、高精度數據采集的基礎。本設計使用TI公司的數字信號處理器TMS320F2812，它是TI（Texas Instruments）公司推出的基于C2000內核高性能數字信號處理器（digital signal processor，DSP），工作頻率可達150 MHz，具有32位運算能力[2]；A/D芯片采用模擬器件（analog device，AD）AD976，AD976是具有16位高分辨率的AD轉換芯片，輸入范圍為－10 V～+10 V，單極5 V電壓供電，采樣頻率可達100 kHz。完成的數據采集系統最大采樣速率可達50 kHz，對信號分辨率可達0.3 mV[3]。

1 數據采集系統的設計與實現

1.1 系統的結構

系統結構圖如圖1所示。

圖1 采集系統功能模塊圖

采集功能主要由TMS320F2812的最小系統與A/ D模塊AD976實現，通過I/O口與通信端口（USB與URAT）將數據發送到上位PC機上處理。

1.2 采集功能的實現

模數轉換功能實現主要包括三個部分：

（1）A/D轉換程序的編寫

根據A/D芯片時序圖，編寫相應的A/D轉換時序流程程序，實現模數轉換功能。根據時序圖，A/D轉換所需子函數實現過程如圖2所示。

圖2 A/D功能的實現流程

（2）數據的讀取

在電路硬件上，AD976的 16位數據線與TMS320F2812的16位數據總線相連，完成一次轉換后，數據出現在數據總線上，在程序上需要定義TMS320F2812外部存儲區的一段內存，如0x088000，通過數據指針讀取數據。讀取到數據后，以數組的形式保存在內存中，用于算法的分析與處理。電路的原理圖如圖3所示。

圖3 AD976與TMS32F2812電路連接

程序如下：

（3）采樣率控制

在本系統中使用CPU定時器的中斷函數控制采樣頻率，中斷函數的頻率通過調整CPU定時器配置函數ConfigCpuTimer（）的參數設定。該函數的第一個參數為選擇CPU定時器，第二個與三個參數的乘積與CPU實際工作頻率的比值即為中斷頻率。如下面程序配置。

當系統工作在150 MHz的狀態下時，參數2、3的乘積與系統工作頻率的比值為100，此時中斷頻率即為100 Hz。每中斷一次，在中斷函數中完成一次AD轉換，中斷頻率即為采樣頻率。

1.3 系統的調試與分析

完成系統的硬件與功能程序設計后，需要對該采集系統與采集方案進行測試，測試設計的開發板是否能正常完成A/D轉換的功能，測試中首先使用信號發生器產生正弦信號，將該通過采集系統形成的數字序列波形在CCS開發環境中使用工具中顯示，如圖4所示。

圖4的采集結果表明，通過A/D轉換后的數字信號不僅在波形上沒有失真，而且整個系統干擾也非常少。進一步的測試表明，系統的最大采樣速率能達到50 kHz左右，達到了高速、高精度數據采集的要求。

2 數據信息預處理

2.1 數字預處理的原理

在數據信息采集過程中不可避免地引入各種干擾與噪聲，在數據信息采集中，通常需要對信號進行預處理以改善信號的信噪比。在工程中常使用設計濾波電路的方法改善信號的質量，由于濾波電路增加了硬件成本與電路復雜程度，數字信號處理理論與數字處理芯片出現后，工程中多傾向于使用數字處理方法改善信號的信噪比。

數字信號處理器是根據數字信號處理理論設計的專用數字信號處理芯片，可以實現復雜信號處理運算，本設計方案使用的TMS320F2812不僅是優秀的控制芯片，同時也具備高性能的數字處理能力，可通過數字信號處理進一步改善采集信號的信噪比。與模擬濾波電路相比，數字濾波處理具有靈活性和可靠性高，可以獲得高性能指標，改變通帶與阻帶的范圍僅需要修改程序等特點。

數字濾波系統可以用如下系統函數[4]：

由此可以得出輸入與輸出的常系數線性差分方程，為：

由上式可以看出，實現一個數字濾波器需要進行乘法累加，在普通計算機的CPU或單片機中，處理這種類型的運算通常是反復累加，不僅效率很低，且對硬件資源消耗也很大，數字信號處理器通常采用哈弗總線結構，其內部具有硬件乘法器，單條指令周期內可完成一次乘法運算，使數字信號處理中的乘加、卷積等運算效率得到極大的提高。

2.2 TMS320F2812數字濾波方法

根據項目中需求，在系統設計一個100階FIR濾波器，通帶范圍為8～280 Hz。與IIR濾波器相比，FIR濾波器具有以下特點：①幅度特性可以隨意設計；②可有嚴格的線性相位特性；③h（n）為有限長，不存在穩定性問題；④可借助FFT來實現；⑤實現采用的濾波器的階次較高，因為多采用非遞結構。

在TMS320F2812上實現FIR濾波器，通常需要三個步驟：根據理論編寫計算公式程序，根據需求計算濾波系數，調試與分析[5]。

（1）濾波計算程序的編寫

FIR濾波計算公式為：

在計算程序的編寫中，使用了TI公司提供的計算包完成計算，并通過C++結構體中調用該計算公式，匯編程序能充分利用數字信號處理器中硬件乘法器的結構，使計算執行的效率更高，計算的點數可達1 024點，超過100階。

（2）濾波器系數的計算

利用MatLab中數字信號處理工具箱中的濾波器輔助設計工具，可以快捷完成各種濾波器設計、仿真與分析。FDATool不僅能提供濾波器的設計與仿真功能，更為重要的是能完成濾波器系數的計算，并生成包含濾波器系數的C語言的頭文件供程序調用，系統中設計一個100階、FIR帶通濾波器，在FDATool中選定帶通頻率8～280 Hz，采樣頻率1 000 Hz，階數100，類型為橢圓形濾波器，其幅頻響應圖如圖5所示。

完成濾波器設計后，在FDATool菜單欄下選擇target選項，選擇產生C頭文件系數，在彈出的對話框中選擇相應16位的有符號的整型數據，并保存，得到濾波系數頭文件[6]。需要注意的是，MatLab的FDATool中設計濾波器的采樣頻率、階數必須與數字信號處理器中程序設計要一致。

（3）調試與分析

完成程序設計與系數計算后，需要在TI公司DSP開發環境CCS中調試驗證所設計的算法并在實際開發板上運行，實驗的結果如圖6和圖7所示。

首先使用函數產生5 Hz、80 Hz、310 Hz的混合信號，通過TI公司DSP開發環境中CCS自帶的計算繪圖工具，得到的幅頻響應圖如圖6所示，信號在高頻部分與低頻部分均有較強的干擾，噪聲的幅度超過了所需信號的幅值。

圖7中是信號通過8～280 Hz帶通濾波器后的幅頻響應圖，結果表明，只有80 Hz的信號通過了濾波器，頻帶外的噪聲被大大削弱了，進一步計算顯示，濾波器對頻帶外的噪聲削弱達到100 dB左右，對信噪比的提升十分明顯。

上述分析表明，在數據采集系統中，使用數字預處理可以大大改善信號的信噪比，提高信號信息采集的效果。

3 結束語

本文以數字信號處理器TMS320F2812為中心，A976為功能模塊，設計了一個高速、高精度的數據采集系統。同時利用數字信號處理器的高性能數字處理能力，通過數字處理進一步改善信號的信噪比，使數據采集達到更為理想的效果，該數據采集方案在實踐中得到了很好的應用。

［1］ 徐雷鈞，李霖.基于F2812的數據采集處理系統設計[J].電測與儀表，2008，45（6）：35-36.

［2］ TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C28 10，TMS320C2811，TMS320C2812 Digital Signal Processors data manual SPRS170[Z].Texas Instruments Inc，2007：3-5.

［3］ 李宏勝，朱欣華，許向華，等.16位A/D轉換器-AD976A及其應用[J].儀器儀表學報，2003，24（4）：274-275.

［4］ 程佩青.數字信號處理教程 [M].北京：清華大學出版社，2001：202.

［5］ Texas Instruments IncFilter Library-FIR Filter Design pack age user’s Guide，C24x Foundation Software（SPRC72）[EB/OL].（2002-05-01）[2009-12-19]Download down from http：//www.ti.com/.

［6］ 李正周.MATLAB數字信號處理[M].北京：清華大學出版社，2008：103-125.

Design and implementation of data acquisition system based on TMS320F2812 and AD976

ZHAO Li，XIAO Long－teng，HU Tao－fu，YANG Geng－huang，MENG Qing－guo
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing&Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

A high－speed data acquisition system based on TMS320F2812 and AD976 is designed in this paper, which is centered on high－performance digital signal processor,and uses AD976 as functional modules,thus realizing high－speed and high－precision data acquisition.

TMS320F2812；data acquisition；digital signal processing

book=1,ebook=36

TP274.2

A

1673－1018（2010）01－0030－04

2009－10－04

國家高技術研究發展“863”計劃資助項目(2007AA04Z254)；中國科學院支持天津濱海新區建設科技行動計劃資助項目（TJZX2－YW－06）；天津市科技發展支撐重點資助項目（08ZCKFSF03400）.

趙 麗（1962—），女，教授，博士，碩士生導師，研究方向為生物醫學信號處理與智能控制.