基于TMS320F2812的水下電磁場信號采集與處理單元設計

張 靜

(大連測控技術研究所，遼寧 大連 116013)

0 引言

某些應用場合，系統包括大量現場傳感器節點，而且控制中心距離現場較遠。這種情況下，為了實現遠距離傳輸，必須盡可能減少數據傳輸量，通常不需要傳輸傳感器節點的原始數據，只需要將傳感器節點的數據處理結果傳輸給控制中心。為此，需要在傳感器節點處設計1個信號采集與處理單元，實現傳感器數據的采集與處理，以及處理結果的遠距離傳輸。本文介紹了1種基于TMS320F2812(以下簡稱F2812)的信號采集與處理單元的設計方案。

F2812是TI公司生產的工業界首批32位的控制專用的數字信號處理器［1－2］，具有很強的運算能力，能實時地處理許多復雜的控制算法，是專門為工業自動化、光學網絡及自動化控制等應用而設計的。選擇它的原因之一是其外圍接口豐富，片上集成了多種先進的外設(SCI，SPI，McBSP，CAN 等)，能滿足數據采集和傳輸的需要。尤其是增強型的CAN口(eCAN)，可使多個基于DSP的信號處理模塊僅通過CAN總線驅動器件就可以并聯在CAN總線網絡上與上位機通信。CAN總線［3］是1種多主方式的串行通信方式，能實現在信號傳輸距離很長(10 km)時，仍能達到高達5 kbps的數據傳輸速率，而且具有高抗電磁干擾性，能檢測出產生的任何錯誤;二是F2812的主頻可以高達150 MHz，能實現實時信號采集、處理與傳輸的功能。

1 系統整體構成

整個系統由水下設備、光電傳輸纜及岸站設備3個部分組成。岸站設備通過光電復合纜與多個水下信息集成艙連接，每個信息集成艙又拖帶多個傳感器節點。2個信息集成艙之間以及傳感器節點之間都采用級聯方式，可方便擴展。信息集成艙之間以及信息集成艙與岸站設備之間采用光網絡進行數據傳輸，信息集成艙里有電壓轉換模塊和CAN轉以太網模塊，傳感器節點之間以及傳感器節點與其所屬信息集成艙之間通過CAN總線進行數據傳輸。

圖1 系統整體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system

每個傳感器節點包含電場傳感器、磁場傳感器及信號采集與處理單元等。本文所要闡述是電磁信號的采集與處理，再通過CAN口將數據處理結果傳輸到CAN總線電路部分的硬件實現與軟件設計。

2 水下電磁場信號采集與處理單元設計［1－2，4－6］

2.1 硬件實現

信號采集與處理單元硬件主要包括信號的采集、DSP處理電路及其外圍擴展電路等幾部分，該單元采集調理過的穩恒電場(2路)、交變電場(2路)和穩恒磁場(3路)共計7路的電磁場信號，由DSP對電場信號進行功率譜估計，線譜提取，線譜跟蹤，最后將計算結果通過其CAN口發往CAN總線并經由信息集成艙傳給上位機(前面所講的岸站設備)，實現系統的遠程控制和監測數據的共享。上位機負責顯示數據處理的結果，然后對傳感器節點中信號采集與處理單元(即對核心控制芯片DSP)發送控制命令，實現對傳感器節點工作狀態進行控制。下面分別介紹信號采集與處理單元的每部分硬件的實現。

圖2 信號采集與處理單元結構框圖Fig.2 Schematic diagram of signal collecting and processing unit

1)模擬采集電路設計

由于F2812片上的AD為12位，不能滿足系統采集信號精度的要求，所以選取了TI公司生產的多通道24位高性能模數轉換器—ADS1278。該芯片將出色的DC精度與AC性能進行了完美結合，實現了低成本集成。它可提供8通道的Δ－Σ同步模數轉換器，具有片上線性相位數字濾波器，低采樣孔徑誤差，可滿足要求嚴格的多通道信號采集應用場合。

信號采集電路是硬件設計部分的關鍵之一，其電路設計的好壞直接影響信號的采集精度。首先是電源設計，AD的模擬電壓為5 V，數字電壓為1.8 V，IO口電壓為3.3 V供電(電路原理圖與圖4和圖5相似，后面將詳細介紹)。ADS1278和DSP外圍接口的5 V電都設計為相互隔離;ADS1278的模擬地和數字地最終在一點需要連接在一起，這樣做可以防止電干擾;其次，本芯片輸入設計為差分輸入驅動，也可以達到抑制噪聲，獲得較好的轉換效果。

圖3為采集電路原理框圖。ADS1278的輸出可以設為SPI接口通信模式，連接到DSP的SPI串行外設接口。ADS1278的29管腳連接DSP的149管腳。該管腳可以復用為外部中斷1，這樣就可以完成每次AD轉換完畢，觸發DSP的外部中斷1(XINT1)，進行數據傳輸，DSP的SPI端口設置為主模式，取數據的時鐘由DSP的34管腳(PF02/SPI_CLKA)產生，數據是按 CH1～CH8的順序從ADS1278的20管腳(DOUT1)傳輸給DSP的41管腳(PF01/SPI_SOMIA)，每通道字長24位，數據從高位到低位傳輸，由于通道8為掉電模式，所以在傳輸時該通道被自動置為0傳輸出去。

2)DSP的電路設計

①電源電路設計

圖3 采集電路原理框圖Fig.3 Schematic diagram of collecting circuit

F2812采用高性能靜態CMOS技術，使得供電電壓降為3.3 V，減小了控制器的功耗。本單元中，設置DSP工作在150 MHz的頻率下，為了降低芯片的功耗，F2812采用雙電源供電的方式，芯片本身的內核電壓為1.9 V，外部接口電壓為3.3 V，為 GPIO，FLASH，ROM等提供工作電壓。圖4和圖5為電路圖。在設計時分開設計+3.3 V電源和+1.9 V電源。該方法優點是2路電源既可防止器件間干擾，又可分開調試，互不干擾，并可以提供較大功率［5］。

②時鐘電路

時鐘產生電路選擇利用內部的晶振，這主要是考慮成本問題，1個晶振和內部振蕩需要的一些器件通常比外部振蕩器便宜。因此，在本單元沒有別的器件需要同樣時鐘的情況下，利用晶振和內部的振蕩電路是最好的選擇。其特點是利用芯片的內部振蕩電路，輸出波形為頻率30 MHz的正弦波，波形的幅度由控制器決定，不存在電壓匹配問題，2個電容選擇晶體生產廠家推薦電容值24 pF，且電容誤差小。

③看門狗電路

看門狗電路在實際應用中是必不可少的，由于實際使用環境并非如實驗室一樣的好，常常有很多干擾因素使得程序跑飛。在設計時，一是在軟件上設置軟件看門狗，程序跑飛時，使程序跳轉到程序開始;二是在硬件上加入看門狗電路。

④CAN接口電路

TMS320F2812處理后的數據需要傳輸出去，由于其芯片內嵌了增強型的CAN模塊，可以很方便地連接到CAN總線上。CAN總線屬于現場總線的范疇，它是1種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。這樣就可以把本文中帶有信號采集及處理模塊、CAN接口模塊等的多個傳感器節點連接到1條CAN總線網絡上。此方案與傳統的基于RS-485總線的連接方式相比，除了能充分發揮DSP強大的數據實時處理能力和通信功能之外，主要還具有CAN獨特的優勢［3］:CAN-bus使用 CAN ID區分結點，廢除了地址碼，并支持網段劃分;優秀的實時性能及強大的數據容錯功能，支持硬件CRC校驗及出錯自動重傳機制;CAN-bus電氣安全性更高，不會存在RS485網絡中出現的總線短路情況;通訊距離長，速率快等。

圖6 CAN接口電路圖Fig.6 Circuit diagram of CAN interface

CAN總線接口芯片選用SN65HVD251，是符合ISO11898標準、專用于CAN總線的串行通信物理層接口IC，它的作用是實現數據差分發送到總線和從總線接收差分數據到DSP的CAN控制器。為了增強抗干擾能力，SN65HVD251單獨供電，應用高速的TTL光耦隔離器HCPL063A實現總線與DSP的隔離。由于TMS320F2812DSP是低功耗設計，所有的數字輸入都與TTL兼容，所有輸出都是3.3 V CMOS電平，HCPL063A的工作電壓在5 V，所以需要進行電平轉換，我們選用TI公司的10位雙向總線轉換器SN74CBTD3384。

2.2 DSP軟件實現

整個系統的系統信號采集、處理及數據傳輸程序都在DSP上完成，DSP編程工具采用TI公司的DSP集成開發環境CCS3.3，它支持TI公司C2000全系列的DSP芯片。

DSP程序結構化編程，從系統初始化到算法實現劃分成不同的子任務模塊，包括各級初始化函數、外部輸入函數、算法實現函數以及中斷處理函數等，系統根據不同的任務調用不同的子任務模塊。程序主體采用C語言。為保證程序運行效率，中斷向量表和DSP的初始化程序采用匯編語言編寫。

DSP上電后，先調用一系列的初始化子任務模塊，具體包括初始化系統控制部分(包括PLL，看門狗以及外設時鐘等)、通用目的數字量I/O(GPIO)功能設置、初始化PIE控制寄存器、映射PIE中斷向量表、初始化SPI/eCAN/SCI通信設置等;而后啟動中斷，程序交由中斷控制。中斷啟動外部中斷1(XINT)。XINT外部中斷用來采集外部芯片AD的數據。主程序只需等待規定的數據長度后，即可進行數據處理，處理后就可以通過CAN將處理結果上傳給上位機。

圖7 DSP主程序流程圖Fig.7 Flow diagram of DSP main program

圖7和圖8分別為DSP主程序和數據采集的流程圖。交變電場功率譜計算積分時間為6 s。首先采集6 s長度的數據，將其送入外部RAM，然后以2 s數據作為步長移動，保證每次計算時間長度為6 s。

圖8 數據采集(外部中斷1)程序Fig.8 Flow diagram of data acquisition

需要說明的是，每次更新的2 s的DSP采集的外部AD數據是采用乒乓機制存儲的。如前所述，從AD過來的數據首先通過SPI通信模式送到DSP的INT1，傳輸的數據為8位寬度，每個通道數據為24位，共8個通道(只存儲前7個通道的有效數據，最后1個通道丟棄)。DSP的最小存儲單元為16位寬，所以1個通道的數占用3個存儲地址。在傳輸數據時，每當1個乒乓區(以交變電場X軸信號為例，1個乒乓區長fs*3*2，2 s的數據)滿時，就使能DSP的數據處理程序(詳見DSP主程序流程圖)，而在之后采到的數據存到另1個乒乓區，以防新數據覆蓋舊的尚未處理的數據。

還有1個重要部分為在DSP上CAN傳輸接口軟件的實現。TMS320F2812集成了增強型的CAN總線通信接口(eCAN)，它是由1個CAN協議核和1個信息控制器組成。CAN控制器包含傳送信息的處理、接收管理和幀存儲功能，支持標準幀和擴展幀2種格式。編寫CAN傳輸接口協議時，首先需要初始化DSP的eCAN模塊工作狀態設置，具體包括相應管腳功能使能、CAN工作時鐘開啟、設置eCAN為HECC(擴展數據幀格式)、初始化消息控制寄存器、設置CAN通訊速率(由通訊距離決定)、配置位定時參數及初始化發送和接收郵箱參數等。最后使用發送郵箱發送消息，即配置完郵箱將需要發送的數據寫到發送郵箱中，等待郵箱相應的發送響應標志位，置位信息標志著消息發送成功。接收消息同發送原理相似。

3 實驗結果

基于以上方案研制的信號采集與處理單元在系統原理樣機中得到成功應用。在本系統的原理樣機中，CAN總線網絡中外掛了3個傳感器節點，總長為1000 m，通過由Labview編寫的岸站顯控界面，將3個傳感器節點串聯在CAN電纜中，進行CAN通信數據驗證，3個傳感器節點中的DSP由于設置的CAN傳輸的ID不同，岸站會按照ID優先級排列數據，將電磁信號的特征傳輸上來，由岸站顯控界面發送開始或結束命令。經過多次長時間的數據測試，結果均未出現錯誤。

4 結語

通過試驗測試結果分析，文中介紹的基于TMS320F2812的電磁信號采集與處理單元，能實時地采集和處理傳感器的電磁信號，并通過DSP的內嵌CAN模塊將處理結果傳輸給岸站顯控臺。從而實現了多節點、長距離系統的數據快速可靠傳輸。鑒于DSP的靈活的編程特性，以及CAN網絡的優勢，以DSP為核心的信號采集與處理單元的成功研制為開發更多節點、更長距離的系統提供了可行性驗證。

［1］蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281x DSP原理及 C程序開發［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.SU Kui-feng，LV Qiang，CHANG Tian-qing，et al.The principle of TMS320F281x and development based on C［M］.Beijing:BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics Press，2009.

［2］三恒星科技.TMS320F2812 DSP原理與應用實例［M］.北京:電子工業出版社，2009.Science and technologycompany of three stars.The principle and applied examples of TMS320F2812［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2009.

［3］周立功.iCAN現場總線原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007.ZHOU Li-gong.The principle and application of iCAN field bus［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2007.

［4］Texas Instrument Incorporated.TMS320F28xx 和 TMS320-F28xxx DSCs的硬件設計指南［M］.2008.Texas InstrumentIncorporated，The hardware design's Guide of TMS320F28xx and TMS320F28xxx DSCs［M］.2008.

［5］Texas Instrument Incorporated.TMS320F2810，TMS320-F2811，TMS320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811，TMS320C2812 Digital Signal Processors DataManual［DB/OL］，2007.

［6］脫秀林，申強，劉成，等.基于TMS320F2812與μC/OS-Ⅱ交流采樣遠程終端的設計［J］.計算機測量與控制，2010，18(3):699 －702.TUO Xiu-lin，SHEN Qiang，LIU Cheng，et al.Remote terminal design of AC sampling based on TMS320F2812 and μC/OS-Ⅱ［J］.Computer measurement and control，2010，18(3):699－702.