基于DSP的16通道聲發射同步數據采集電路設計

馮國金，趙洪亮，閆吉領，欒慶聰

（1.山東科技大學 山東 青島 266510；2.兗州煤業股份有限公司 東灘煤礦，山東 鄒城 273512）

煤巖聲發射監測，又名微震監測，是一種公認的很有發展前途的連續預測煤礦動力災害的方法。目前國內已經有多套國產和引進的系統投入使用[1-2]。其中，煤巖聲發射信號的采集是該監測系統實現的重要環節之一，它要求數據采集電路具有大動態范圍、多通道同步數據采集等特點。目前，國內已有多家單位進行了相關的研究工作：熊慶國等采用單片機+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射監測儀[3]；周鳳星等采用C8051F022核心控制器，設計出能夠同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號的聲發射數據采集站[4]；潘一山等研制的礦震監測定位系統采用了16位、8通道的數據采集器[2]；王繼強等以TMS320VC5402處理器，分別設計了8通道、16位分辨率的微震實時監測系統[5]。

隨著技術的快速發展，處理器和A/D轉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射信號采集成為可能。TMS320VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定點DSP處理器，其主頻最高可達200 MHz，具有豐富的外設，適用于大量數據的數據采集和處理[6]。ADS1278是TI公司推出的一款工業級的24位分辨率、8通道同步A/D轉換器，具有優良的AC和DC性能，采樣率最高可以達144 ksps，并且可通過菊花鏈的方式級聯多片，實現更多通道的數據采集[7]。文中以DSP處理器TMS320VC5509A為核心，通過菊花鏈的方式擴展了2片ADS1278，實現了24位分辨率、16通道同步數據采集。

1 數據采集電路的工作原理

數據采集電路的結構框圖如圖1所示，其工作原理為：系統上電后，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，完成對ADS1278的基本配置。待以上準備工作完畢后，VC5509A發出一個同步轉換脈沖，啟動A/D轉換；這時，前端傳感器采集的煤巖聲發射信號經過信號調理電路放大、濾波等預處理后送入ADS1278進行數據轉換。最后，各通道轉換后的數據以時分復用的形式送入VC5509A的McBSP端口，完成數據的采集。

圖1 數據采集電路的結構框圖Fig.1 Structure diagram of the data acquisition circuit

由數據采集電路的原理框圖可以看出，VC5509A與ADS1278的接口是該設計的核心。該接口電路按功能劃分為兩部分：一個是控制接口，用于設置ADS1278的工作模式、數據傳輸模式和通道使能情況；另一個是數據接口，用于傳輸ADS1278采集的數據。此外，電源和基準電路也是該數據采集電路的重要組成部分，下文將詳細介紹。

2 數據采集電路的硬件實現

2.1 VC5509A與ADS1278控制接口電路設計

ADS1278的工作模式、數據輸出模式和通道使能都是通過引腳來設定的[7]，每片需要設置的引腳多達14個。倘若采用VC5509A的I/O口完成配置，勢必造成很大的資源浪費。本文通過VC5509A的I2C控制器掛載了兩片PCA9535[8]來完成對ADS1278的配置，只占用兩個引腳。

圖2給出了單片ADS1278與VC5509A的控制接口電路，其中，3位撥碼開關用于設置PCA9535的I2C地址；PWDN[8:1]用于設置各通道的開啟情況；MODE[1:0]用于設置工作模式；FORMAT[2:0]用于設置串行數據輸出的傳輸協議和數據格式；CLKDIV用于設置時鐘是否減半；LED指示引腳連接一個用戶指示燈，當向對應的I/O口寫入低電平時，該指示燈點亮，可據此觀察PCA9535配置是否成功。

圖2 控制接口電路Fig.2 Circuit of the control interface

2.2 VC5509A與ADS1278數據接口電路設計

ADS1278轉換后的數據以串行方式通過引腳輸出，可以通過FORMAT[2:0]來選擇傳輸協議和數據格式。本文通過VC5509A的McBSP外設接口來接收ADS1278轉換后的數據，該接口同時支持SPI和幀同步協議，能夠方便的實現ADS1278的無縫連接。相比較而言，幀同步模式擁有更快的傳輸速度，所以本文選擇了幀同步協議。

VC5509A與ADS1278采用幀同步協議的數據接口電路如圖3所示，兩片ADS1278以菊花鏈的方式級聯。其中，U3的輸入 DIN接地，DOUT1連到U2的DIN輸入；U2的輸出DOUT1經D觸發器后連到VC5509A的DR1引腳；U2和U3擁有相同的CLK、SCLK、SYNCn和FSYNC控制信號。

圖3 數據接口電路Fig.3 Circuit of the data interface

2.3 電源和基準電路設計

穩定、低噪聲的電源是實現高精度數據采集的必要保證，該數據采集電路包含3種典型電源：ADS1278的1.8 V內核電源，3.3 V I/O口電源和5 V模擬電源。其中，5 V模擬電源通過具有較小紋波的LM7805線性穩壓得到；3.3 V和1.8 V數字電源通過具有高電源抑制比和低噪聲性能的電源芯片TPS73033和TPS73018獲得。

基準電路在高精度數據采集電路的設計中起著至關重要的作用，它會直接影響到數據采集電路的精度和穩定性。本文采用了TI公司的一款低噪聲、低溫漂、精度極高的電壓基準芯片REF5025為ADS1278提供參考電壓[9]。為使REF5025的輸出性能達到最佳，在將基準信號送入ADS1278之前添加了一級調理電路，用于進行阻抗匹配和濾波。

3 數據采集電路的底層軟件實現

數據采集電路的底層軟件實現包括配置和數據采集兩部分。其中，配置又可分為兩部分：一是對VC5509A本身的初始化， 包括：CSL 庫、PLL、GPIO、I2C、 定時器、McBSP、DMA和中斷等；二是對ADS1278參數的設置，包括通道開啟情況、工作模式和采樣率等。數據采集工作主要是由DMA來完成的，CPU只負責切換緩沖區和處理數據等操作。

數據采集電路的底層軟件工作流程如圖4所示。系統上電后，首先完成初始化和ADS1278的配置工作；然后，CPU發出同步轉換脈沖，啟動數據轉換，進入中斷等待狀態；與此同時由DMA來進行數據采集，當DMA存滿緩沖區后觸發中斷；CPU進行切換緩沖區和數據處理等操作，然后返回等待下一次中斷。

在上述過程中，DMA和CPU是并行工作的：即DMA專門負責存儲數據，將數據搬移到緩沖區；而CPU則負責切換緩沖區并處理緩沖區內的數據。但同一時刻，CPU和DMA操作的是不同的緩沖區：當DMA向緩沖區0存儲數據時，CPU處理緩沖區1的數據；而DMA向緩沖區1存儲數據時，CPU處理緩沖區0的數據。這樣DMA和CPU實現了一種“乒乓”切換操作，使得DSP能夠更加專注于數據處理，從而能夠發揮最佳性能[10]。

圖4 數據采集電路的底層軟件工作流程圖Fig.4 Flow chart of the bottom software of the data acquisition circuit

4 數據采集測試結果

由于數據采集電路的通道數眾多，無法一一展示測試結果，所以本文選取了兩組典型通道，分別測試同一信號和不同頻率的信號。用CCS集成開發環境進行硬件仿真，在DMA中斷里設置斷點，并通過Graph工具調取緩沖區內的數據顯示采集信號波形，結果分別見圖5（a）、（b）所示。測試中，設置ADS1278的采樣頻率為9 375 Hz，顯示緩沖區大小為1 024個點，圖中的橫坐標是經換算過后的時間信息，單位是ms，縱坐標是A/D轉換后的實際數值。

圖5（a）中的測試信號頻率為 100 Hz，幅值為 100 mVpp。由圖可以看出，兩通道采集的信號波形一致，相位相同，說明了兩通道采樣的同步性。圖5（b）中，通道3信號頻率為200 Hz，幅值約為1.45 Vpp；通道9信號頻率為300 Hz，幅值為1.1 Vpp。根據圖中數據可以計算出，通道9的信號頻率約為通道3的1.5倍，信號幅值約為通道3的1.3倍，與測試信號對應，這說明了兩通道采集不同信號的正確性。圖5（a）和（b）兩圖中的信號連續光滑，沒有突變點，這也說明了采集電路的高性能。

5 結 論

文中面向煤巖聲發射信號采集，提出了一種大動態范圍、多通道同步數據采集電路的解決方案。該方案通過較少的接口既實現了多通道數據的同步采集，又可靈活開啟各通道、設置工作模式和采樣率等。采用本數據采集電路的方案，還可方便增加ADS1278到8片，將通道數擴展到64個，進而實現更多通道數據的同步采集。但在使用時需注意，該數據采集電路可擴展的通道數會受到工作模式和工作時鐘頻率的制約。

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