DSP和AD9244的多路數據采集系統

趙發定，周正義，穆帥歡，陽 路

（西南石油大學 電氣信息工程學院，四川 成都610500）

由于DSP芯片具有先進的并行結構，使其在信號處理和數據采集領域得到了越來越廣泛的應用[1]。TI公司的DSP芯片TMS320F2812具有模擬量轉換為數字量的ADC采樣模塊，理論上采樣精度為12位，在實際使用中采樣精度為9位或10位[2]。AD9244是ANALOGDEVICES公司生產的14位高速高精度模數轉換器，其主要特點是體積小、功耗低、精度高，主要應用于通信系統、醫療、高端成像設備、超聲波設備，利用AD9244作為DSP的外擴模數轉換芯片，提高了數據采集的精度。

1 芯片介紹

TMS320F2812是TI公司生產的面向數字控制、運動控制領域的DSP芯片，它支持多項的高速實時算法，采用先進的哈佛結構，將程序和數據放在不同的存儲空間。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技術，CPU主頻高達150 MHz，時鐘周期為6.67 ns，采用低功耗設計，內核電壓為1.8 V，數字I/O口引腳電壓為3.3 V。同時TMS320F2812的片內外設資源豐富，模擬量轉換為數字量的ADC采樣模塊理論精度為12位。AD9244是ADI公司生產的14位高速高精度模擬轉換器。它具有750 MHz的輸入帶寬，最高允許抽樣速率達到65 MHz。體積小、功耗低、精度高[3]，專門應用于峰峰值小于2 V的模擬信號轉換。AD9244內部使用多級差分電路結構，并帶有自動糾錯的邏輯電路，可以在65 MS/s的輸入數據速率下保證14 bit的精度。此外，該器件還具有很寬的工作溫度范圍，可以在-40℃～+85℃的溫度范圍內正常工作。AD9244的14位數字輸出信號可以表示為直接二進制的形式，也可以是二進制補碼的形式。AD7501是ADI公司生產的八通道多路模擬器，可以選擇8路信號中的一路信號送至公共輸出端，其輸入引腳的選擇根據狀態引腳的3個二進制地址和1個輸入使能引腳的電平決定，AD7501功能主要是將多路模擬信號分別送至A/D轉換器進行轉換。AD7501的開關時間為：ton=0.8μs，toff=0.8μs[3]。

2 系統整體結構及硬件設計

2.1 數據采集系統整體結構

數據采集系統的主要功能是對8路峰峰值小于2 V的小信號數據進行采集，14位采集精度，DSP對數據進行讀取并處理。該系統整體結構圖如圖1所示，整個系統由模擬開關電路、高精度A/D轉換電路、DSP芯片、DSP附屬電路及外圍控制電路、執行電路組成。

圖1 系統整體結構圖

多路模擬信號選擇處理電路由模擬開關和DSP組成，其主要功能是對多路模擬信號進行處理，使多路模擬信號經過模擬開關選擇后，依次進入A/D轉換器進行模數轉換。A/D模數轉換電路主要是將模擬開關送來的信號進行模數轉換，把轉換的結果送至DSP芯片進行處理。DSP附屬電路及外圍控制電路保證DSP正常工作。執行單元主要是接收DSP采集的多路數據，并利用數據進行多種控制。

2.2 數據采集系統硬件電路設計

模擬開關選用AD7501是有譯碼器的模擬開關，有8路數據輸入，1路數據輸出，其輸入通道由通道選擇引腳A0、A1、A2和使能引腳EN確定，任意時刻只能有一路數據輸入通過多路開關[4]。其真值表如表1所示。

表1 真值表

AD7501的通道選擇引腳和使能引腳與DSP的數據線連接，通過DSP選擇模擬信號進入A/D轉換器進行模數轉換。相應的硬件轉換電路框圖如圖2所示。

圖2 硬件轉換電路框圖

高精度A/D選擇的AD9244是14位高速高精度A/D轉換器。它專門應用于峰峰值小于2 V的小信號數據的模數轉換，其最高允許采樣速率達到65 MHz，電源可以由+5 V的模擬電源供電，也可以在+3 V或+5 V的數字電壓下供電，在5 V供電電壓和65 MS/s的輸入數據速率下，該器件的功耗為590 mW。AD9244的輸出允許管腳（OED）接地，AD9244的輸出驅動器就會激活，并輸出轉換后的數字信號，電壓溢出指示管腳（OTR）與DSP相連接，用于檢測輸入電壓是否超過A/D轉換的電源范圍，輸出數據形式選擇管腳（DFS）直接和數字地相接，使AD9244輸出數據形式為二進制，AD9244的數據線與DSP數據總線相連，AD9244的時鐘信號引腳（CLK+）和DSP相連接，時鐘引腳（CLK-）通過一個0.1μF的電容與地相連，時鐘信號由DSP提供。由于AD9244是完全依靠外加的時鐘來抽樣，時鐘信號的質量對ADC的性能影響尤為重要。必須使時鐘的上升沿盡可能的快，并且盡可能減小抖動[5]。AD9244的參考電壓采用外部參考電壓。相應的A/D轉換硬件電路框圖如圖3所示。

圖3 硬件電路框圖

TMS320F2812為低功耗器件，內核電壓為1.8 V，I/O口電壓為3.3 V，Flash編程電壓為3.3 V，一般外圍提供的電壓為5 V，而系統的1.8 V和3.3 V需要轉換芯片對5V電壓進行轉換。系統選用TPS767D301，TPS767D301是TI公司推新推出的雙路低壓差電源調整器，主要應用在需要雙電源供電的DSP設計中。TPS767D301帶有可單獨供電的雙路輸出，一路固定輸出電壓為3.3 V，另一路輸出電壓可以調節，范圍為1.5 V～5.5 V，通過外接一個電阻取樣網絡來得到TMS320F2812內核需要的1.8V電壓。設計時外部提供純凈+5 V電源輸入，在經過一個鐵氧體磁珠L1進行濾波后進入電源芯片[6]，其電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3 程序設計和軟件仿真

程序設計使用C語言編寫源程序，首先對系統進行初始化，分別初始化DSP和DSP的通用定時器T1、AD9244、AD7501。首先使能AD7501，并選通第1路模擬信號進行模數轉換，同時把轉換的結果送入DSP，并啟動定時器T0，定時器時間根據需要設置，本文設置為0.01ms，當定時器達到0.01 ms時產生中斷，改變AD7501的信號選擇引腳的地址，讓另外1路信號輸入進行模數轉換，同時啟動定時器，這樣循環往復實現8路數據的采集，其系統流程圖如圖5所示。

圖5 系統流程圖

軟件仿真采用TI公司DSP開發環境CCS3.3（Code Composer Studio）軟件。連接硬件仿真系統，目標板上電，啟動CCS3.3軟件，對C語言源程序進行導入，編譯。

目前在工業控制領域，多路數據采集系統的應用非常廣泛。本文介紹的多路數據采集系統是在TMS320F2812芯片的基礎上設計的，其硬件連接比較簡單，模數轉換器采用外擴模數轉換器AD9244。實驗結果表明，該系統比采用DSP內部模數轉換器精度高，可以對流量、溫度、壓力、密封差壓、各點振動位移、催化劑含塵量等多種小信號數據進行采集。該系統降低了硬件設計的成本和時間，具有靈活、高速、可靠、多路數據采集等優點，可廣泛應用于各種智能儀表、自動化控制設備。

[1]賴武剛，郭勇，詹鵬.基于DSP和MAX147的多路數據采集系統[J].微計算機信息，2007，23（8-2）：182-183.

[2]顧衛剛.手把手教你學DSP[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[3]杜洋，李寶森.14位高精度高速AD轉換器AD9244[J].國外電子元器件，2003（10）：35-37.

[4]李興山，楊繼紅.多通道數據采集裝置的研制[J].內肛科技，2006（7）：137-137.

[5]李寶森，杜洋.高速高精度模數轉換器AD9244在軟件無線電中的應用[J].電子器件，2009，29（2）：539-542.

[6]賈凱，鄭春暉，陳為廉.基于TMS320F2812的雙電源供電電路設計實現[J].電子工程師，2008，34（9）：27-29.