ADS8361在DSP數據采集系統中的應用

何希盈，吳有俊，鄒建，陳覺之，宋永君

（海軍指揮學院信息戰研究系，南京211800）

0 引言

水聲數據采集系統需要長期工作于水下，多數系統都采用電池供電。因此系統的體積、功耗、數據處理能力就成為重要的技術指標。將矢量水聽器、數字信號處理器（DSP）、模數轉換器（ADC）、CF卡等技術結合起來可以構建一個海洋環境噪聲采集系統。在采集系統中，模數轉換器（ADC）是最重要、最關鍵的核心器件之一。ADC的任務是將一個連續的模擬輸入信號（通常為電壓）用一個數字化的值來表示，以便于進一步處理和記錄，它的性能直接影響到整個數據采集系統的技術指標。選取ADC芯片進行模數轉換時，需要考慮它的采樣頻率、有效位數、動態范圍、信噪比以及接口方式等性能指標[1]。

1 AD器件的選擇

1.1 硬件系統

為用于水下聲信號的數據采集，設計了一個DSP采集系統，其原理框圖如圖1所示。該采集系統由模擬處理板、數字板、磁羅經、電源和矢量水聽器組成。其中AD器件選擇了TI公司生產的ADS8361[2]，這是一款最高采樣速率為500ksps的16位雙路模數轉換器（ADC）。該轉換器具有4個全差分輸入通道，兩兩一對，可以分別連接到獨立的轉換器上，以實現雙路高速信號同步采集。采樣保持放大器的輸入端是全差分的，ADC的輸入端也保持為全差分。這使該A/D具有卓越的共模抑制能力：在500 kHz時為80dB，具有極強的抗干擾能力，特別適合高噪聲的應用場合。ADS8361提供了高速，雙串行接口和控制信號輸入，可以有效的減少軟件開銷。每一路輸出數據都是有效的16bit字。ADS8361基本電路配置圖如圖2所示。

2 接口設計

本數據采集的設計中主芯片用TI公司生產的TMS320C5509A，該款芯片提供了三個高速、全雙工、多通道緩沖串行接口McBSP，它是在緩沖串口的基礎上發展起來的，其硬件部分基于標準串行接口。設計中采用McBSP實現與ADC的接口[3]，如圖3所示。

圖1 DSP數據采集系統原理框圖

ADS8361可以配置為四種工作模式。通過設置三個管腳電平狀態M0，M1，A0來配置工作模式，如表1所示。

由于傳感器為四路模擬信號輸出，所以ADS8361采用四路差分輸入，即正極性的四個管腳（CHA0+、CHA1+、CHB0+、CHB0+）接傳感器的四路模擬輸入，其它不用的負極性輸入管腳接參考電壓輸出。設計中ADS8361與DSP的多通道緩沖串口1（McBSP1）相連。McBSP1配置為同步串口。ADS8361采用SSOP-24封裝。CS#引腳是ADS8361的片選，設計中接低電平，即ADC總是處于被選中狀態。M1，M0，A0引腳用于選擇采樣通道和數據通道，設計中分別接高電平、高電平和低電平。根據表1中，可以看出此時ADC的A通道有效，4路串行輸出。RD引腳為讀取數據通道，CONVST引腳是A/D轉換脈沖，這兩個管腳與McBSP1的FSX1相連，由DSP通過幀同步控制A/D轉換及數據讀取。CLOCK引腳用于輸入采樣時鐘，由DSP通過CLKX1管腳提供。如圖3所示。

表1 ADS8361工作模式配置

ADS8361的工作時鐘最大值為10MHz，高電平和低電平至少各40 ns。

3 軟件設計及具體實現

ADS8361與DSP的McBSP1連接，應將McBSP1配置成同步串口。通過配置McBSP1的各個寄存器，我們可以設定ADS8361的工作參數，例如采樣率。各寄存器配置好之后，打開McBSP1，當ADS8361一路模擬信號轉換完成之后，ADC輸出的數據到達McBSP1觸發ADC數據中斷，此時可以讀出DRR1及DRR2中的一個ADC采樣數據，CPU響應中斷讀出數據之后進入等待循環模塊。下一個ADC數據中斷的到來之后重復以前的操作。ADC數據采集軟件流程圖如圖4所示[4]。

圖4 ADC數據采集軟件流程圖

4 ADC電路的調試

高精度采集系統的關鍵是ADC的有效位數。ADS8361的動態輸入范圍為±2.5 V，每個量化單位對應0.076 mV，因此應當設法降低噪聲和干擾。噪聲的來源主要有兩種[5]：一種是ADC自身的噪聲如量化噪聲等，另一種是周圍電路產生的噪聲干擾。前者是ADC固有的，后者的大小遠遠超過前者，特別是電源、模擬與數字電路之間的相互干擾。ADS8361的差分輸入方式大大降低了共模干擾，在設計中要考慮如何在電路中減少其它噪聲和干擾。

圖 5 ADC數據

數據采集板在ADC輸入接地的情況下，測得的數據如圖5所示，所以設計中的ADS8361采樣數據為11位有效，5位噪聲。

5 結束語

本文介紹了ADS8361在DSP為核心的數據采集系統中的應用方法。ADS8361速度快，精度高，配合DSP強大的運算功能可構建性能優異的水聲測量系統。實驗表明，基于此的數據采集系統工作穩定可靠。

[1] 于海生, 潘松峰, 丁軍航, 等．計算機控制技術．北京: 機械工業出版社, 2007.

[2] ADS8361. Burr-Brown Products from Texas Instruments, 2007.

[3] 胡慶鐘, 李小剛, 吳鈺淳．TMS320C55x DSP原理、應用和設計. 北京: 機械工業出版社, 2005.

[4] 郭燦新, 張紹峰, 黃成軍, 等. CF卡文件系統在DSP數據采集中的開發應用. 電子技術應用, 2006, (1).

[5] 張亞迪, 陳柏超. 高速AD轉換器ADS8364在電能質量監控系統中的應用.新器件應用, 2007.