一種基于DSP的一體化前端采集控制器的設計

方勇宋杰

（中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連116023）

0 引言

在某些高溫高壓高速實驗場合中，溫度、壓力、振動等環境參數是是檢驗被測物體及運動裝置的可靠性和可維修性的重要依據，為被測物體的改進提供必要的依據。而這些參數的測量通過熱電偶傳感器、壓力傳感器、振動傳感器將物理量信息轉換成電信號，送給一體化前端采集控制器。一體化前端采集控制器將所接收到的電信號轉換為數字量后，將數據保存起來，并可以通過以太網口、RS422及USB口等通訊接口將數據上傳至計算機中。計算機可以處理和分析數據，并可以將處理結果用報表、圖表的方式打印出來。由于這些實驗的無法重復性、復雜性這就對一體化前端采集控制器的設計提出了更高的要求，不僅具備多通道高速采集和大容量存儲的功能還應具有很高的可靠性、精確性和電磁兼容性。

1 一體化前端采集控制器工作原理

一體化前端采集控制器的工作原理圖如圖1所示。一體化前端采集控制器將采集通道、主控部分、數據總線等集成在一起，采用嵌入式計算機技術設計，實現一體化程控，并具有RS422、USB2.0和以太網接口。

圖1 一體化前端采集控制器工作原理圖

2 硬件設計方案

2.1 主控制部分

每臺采集器都有一個主控制板，其作用是通過相應的端口與上位機進行數據交換，并通過控制總線對采集板進行控制與數據交換。組成框圖如圖2所示。

圖2 主控部分組成框圖

2.1.1 中央處理器

考慮到系統的高速數據采集、大容量數據存儲，通道獨立性等特點，數據采集和存儲的控制由一個高速32位DSP（數字處理單片機）芯片實現。DSP單片機與普通單片機相比，在運行速度和數據處理能力上都有后者無法比擬的優越性，完全可以滿足系統高速采集的要求。在DSP芯片的選擇上，采用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定點處理DSP芯片，該芯片不但運行速度高（可達150MHz的主頻），處理功能強大，并且具有豐富的片內外圍設備，便于接口和模塊化設計，其信價比極高。而且它特有的性能是外部存貯空間接口可達1MB、可編程等待狀態、三個獨立的片選端還有幾十個GPIO端口可供選擇。此特點用于管理其它采集板通訊雙口RAM（IDT7027）提供了很大的方便。芯片內部具有8K×16的片內Flash存儲器，可以大大降低系統的體積，而且其功耗也比較低（核心電壓1.8V,I/O口電壓3.3V）。

2.1.2 主控板CPLD

為方便通道的可擴展性，設計了一套完整的并行數據總線和協議。每塊采集板上都有自己的一個控制CPU來進行采集和存儲控制，并通過并行數據總線和協議由一塊主控制板來與上位機進行數據交換。為增強儀器的可靠性和總線的驅動能力，所以在每塊板上都增加了一套總線驅動器，考慮到板子體積大小，將總線驅動器做到了一個CPLD中，其特點就是集成度高，體積小，邏輯更改方便可以通過編程來實現。

2.2 采集通道部分

為了增加板子可靠性和獨立性，我們設計中都將每塊板子設計成為了相對獨立的采集器。由自己控制CPU、采樣AD、信號調理前端、存貯磁盤及通訊總線。其組成框圖如圖3所示。

圖3 采集通道部分組成框圖

2.2.1 中央處理器

根據儀器需要及與主控部分的編程操作方便，CPU控制器也是選用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定點處理DSP芯片，它還具有3個32位的CPU定時器，運用這三個定時器，可實現AD的定時采集，以達到采樣頻率：10Hz-160KHz/通道，連續可調。

2.2.2 A/D轉換器

A/D轉換器是將輸入模擬電壓信號轉換為數字信號的關鍵部位。設計中采用了AD公司的高速16位A/D轉換器AD7663AST芯片。該AD轉換器具有高速度、高精度、低功耗、單一電源供電（+5V）等特點，使用其±5V量程檔。可以完全滿足本測量系統對于測量速度和測量精度16位的要求。

2.2.3 數據存儲

數據存儲也是數據采集通道中的一個關鍵部分，它必須滿足存儲容量和能夠掉電保持數據的雙重功能。設計中采用靜態數據存儲器緩存加大容量電子盤（ADC）作為存儲介質實現大容量數據存儲。電子盤與普通Flash存儲器相比，具有速度快、容量大的優點；與普通硬盤相比，存儲容量相當，電子盤的工作環境溫度更寬、抗沖擊振動能力強、體積小、安裝形式多，更適合本測量系統。根據程序支持的存貯容量，用戶通過上位機軟件去選擇存儲盤的容量，最高可支持512M字節的存儲。

2.2.4 雙口RAM

增加雙口RAM目的是為了實現系統在采集過程中的實時監控功能。當CPU在采樣過程中先將AD的采樣數據放在靜態RAM中，然后再將數據存入電子盤。當采樣率比較高的時候CPU的工作頻率也就相對比較高。這時靠CPU再與上位機進行數據交換已經來不及了。在不影響采集存儲的情況下只有靠主控板自己的CPU把數據從采集RAM取走傳給上位機。普通單口RAM只有一個讀寫操作口無法實現上述功能，而雙口RAM有左右兩個讀寫操作口，這樣就可以實現了邊存儲邊顯示的功能了。而且為增加總線數據傳輸的速度和方便性，將雙口RAM的存儲區劃分幾個不同的區域，每塊采集板的所有要與主控板進行交換的數據及命令都靠取RAM中不同區域數據來實現。根據需要選用IDT公司的IDT70V28L芯片，其存儲容量為64k X 16位，電源為3.3V。該芯片典型功耗為440mW，待機功耗僅660μW。

2.2.5 信號調理前端

信號調理前端作用就是把傳感器的信號歸一化為理想的電壓信號，再由AD進行采樣轉換。現在大多數傳感器信號輸出型式有三種：電荷型、單端電壓型、差分電壓型。為實現儀器能對多種信號進行采集，所以在采集板上做了三種信號調理電路，通過模擬電子開關及編程的方式來實現信號的切換。

2.3 電源管理模塊

為滿足野外無外接電源長時間工作需求，選大容量聚合物鋰電池，選定制的電池保護電路保證穩定的電流輸出。大容量聚合物鋰電池可根據需要擴充電量，外置的電池盒可方便拆卸和搬運，在電池盒中設置的溫控電路也可保障電池在低溫環境下的工作。

3 軟件設計

前端采集器需要完成數據采集、數據傳輸、數據存儲3個基本功能，這三部分在系統軟件的監控和任務調度下協同運行。軟件設計的主要流程圖如圖4所示。

圖4 軟件主要流程圖

進入數據采集系統后，程序首先對系統初始化，內部計時器開始計時，啟動ADC采集數據，主程序進入一個死循環；當ADC轉換完畢，進入中斷子程序，采集并存儲數據，然后將采集的數據存儲到硬盤里，以便進行數據處理與分析。

4 可靠性和電磁兼容性設計

4.1 可靠性設計

一體化前端采集控制器設計時，在滿足整機主要性能指標的前提下，按照可靠性的要求進行簡化設計、降額設計、熱設計、三防設計、安全設計等，從簡化電路構成、增加元件參數額定使用上限、加強散熱效果、采取三防處理、采取絕緣處理等方面考慮，確保了一體化前端采集控制器的可靠性。

4.2 電磁兼容性設計

一體化前端采集控制器在設計中采取一系列電磁兼容及抗干擾措施：電源模塊的輸入、輸出都具有濾波電路；同時在每塊印制板的電源入口處放置大電容，在每個組件旁和每個信號的輸入接口處放置小電容，從而加強了儀器抗電磁兼容干擾的能力；印刷板采取了去耦措施，電源端、輸入輸出端加濾波；印刷線路板布線有規則前向布線，盡量縮短布線長度；信號線與回線盡量靠近，平行走線。按電路類型對元件、邏輯組件進行分組，相對集中，相互獨立的功能塊周圍用地線環繞；采用多層印制板，增加電源層及接地層接觸面，增強抗干擾能力；對儀器所用元器件嚴格按照選用標準進行篩選和選用，保證其抗干擾能力；由于整機采用金屬殼，具有屏蔽作用，因此會大幅度減少內部噪聲輻射到機殼外部。

5 結語

本文設計的一體化前端采集控制器具備多通道、大容量、高速采集與存儲的功能。由于采用了高性能的DSP芯片TMS320F2812PGFA和采用嵌入式計算機技術，加入了可靠性設計和電磁兼容性設計，適合一些高溫高壓高速實驗場合測量的要求。

［1］王念旭.DSP基礎與應用系統設計[M].北京航空航天大學出版社,2001.

［2］蘇奎峰,呂強,耿慶鋒,等.TMS320F2812原理與開發[M].電子工業出版社,2005.

［3］趙偉,鮑慧,劉云峰,等.基于DSP的高速數據采集系統設計[J].2005(2).