基于DSP系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔陽(yáng)　雷軍剛　李世勛　高青松

摘 要： 高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)控制及航空、航天領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)星載有效載荷的高速數(shù)據(jù)采集，選用了以Ti公司DSP芯片SMJ320C6415為控制器、AD公司的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9269的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)、抗混疊濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。采用該設(shè)計(jì)方案的有效載荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、采集速度快、可擴(kuò)展性好及可靠性高的的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各類高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： DSP； 數(shù)據(jù)采集； 噪聲濾波器； 功率譜密度

中圖分類號(hào)： TN713?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0059?04

Abstract： The high?speed data acquisition technology is widely used in various industrial control， aviation and aerospace fields. To realize the high?speed data acquisition of the satellite?borne payload， the design scheme taking SMJ320C6415 made by TI as the controller and high?speed chip AD9269 made by AD as the A/D converter was selected. The main technical indexes of the data acquisition system and anti?aliasing filter design are described in detail. The payload data acquisition system adopted by this design scheme has the advantages of high measurement accuracy， high?speed acquisition， good scalability and high reliability， which has important guiding significance for designing the various high?speed data acquisition systems.

Keywords： DSP； data acquisition； noise filter； power spectral density

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)采集技術(shù)廣泛應(yīng)用于人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，如工業(yè)控制、航空航天、家電等。一般而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成，其中傳感器用于將被測(cè)量（一般為非電量）轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)（如溫度、加速度傳感器等），數(shù)據(jù)采集單元完成電壓或電流信號(hào)的采集（將模量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量）、處理和存儲(chǔ)。采集結(jié)果以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)，便于數(shù)據(jù)的后續(xù)分析和應(yīng)用。本文以某星載有效載荷為例，選用Ti公司的高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）TMS320C6415為數(shù)據(jù)采集和控制單元，AD公司的高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9269為轉(zhuǎn)換芯片，研制了適合于衛(wèi)星在軌應(yīng)用的有效載荷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文中對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)及其主要影響因素進(jìn)行了分析，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的硬件電路，并對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了說明。

1 主要技術(shù)指標(biāo)說明

一般而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)涉及測(cè)量帶寬、測(cè)量精度（噪聲）及動(dòng)態(tài)范圍。

測(cè)量帶寬：測(cè)量帶寬用于表征儀器設(shè)備的頻率探測(cè)能力。根據(jù)一般工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量帶寬指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頻響曲線中-3 dB帶寬。根據(jù)有效載荷任務(wù)需求，測(cè)量帶寬為3 MHz（-3 dB）。

測(cè)量精度（噪聲）：按GJB2715A?2009《軍事計(jì)量通用術(shù)語(yǔ)》定義，“測(cè)量精度”其定義為“引起相應(yīng)示值產(chǎn)生可察覺到的變化的被測(cè)量值的最小變化” 。對(duì)于一般工程應(yīng)用而言，測(cè)量精度在時(shí)域以“分辨率”指標(biāo)約束，頻域以“功率譜密度”指標(biāo)進(jìn)行約束。根據(jù)有效載荷任務(wù)需求，時(shí)域測(cè)量精度為35 μV（DC～16 Hz），頻域?yàn)? μV/Hz1/2（功率譜密度，6 Hz～3 MHz）。

動(dòng)態(tài)范圍：按GJB2715A?2009定義，動(dòng)態(tài)范圍指系統(tǒng)能夠測(cè)量/檢測(cè)的最大值與最小值之比。根據(jù)有效載荷任務(wù)需求，動(dòng)態(tài)范圍為90 dB。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

主要模塊介紹如下所述：

（1） 濾波模塊。濾波模塊的主要部分濾波電路，其功能為抗混疊和對(duì)高頻噪聲進(jìn)行衰減，以滿足精度和動(dòng)態(tài)范圍需求。根據(jù)一般工程應(yīng)用，濾波電路有3種：低通濾波、高通濾波和帶通濾波。圖2為濾波器抗混疊原理。依據(jù)采樣定律，數(shù)據(jù)采集時(shí)以采樣速率的整倍數(shù)對(duì)所有頻率的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，如果不設(shè)計(jì)抗混疊濾波器，則帶外高頻信號(hào)會(huì)以鏡頻的方式出現(xiàn)在測(cè)量帶寬內(nèi)；

（2） 模/數(shù)變換模塊。模/數(shù)變換模塊主要有模/數(shù)變換器及外圍電路，完成對(duì)模擬信號(hào)的量化。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要指標(biāo)為轉(zhuǎn)換速率及數(shù)據(jù)寬度，分別與測(cè)量帶寬、測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)范圍相關(guān)；

（3） 控制單元。控制單元主要為數(shù)字控制系統(tǒng)，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制、轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取和存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)處理等功能；

（4） 通信接口模塊。通信接口模塊主要完成測(cè)量結(jié)果的傳輸。目前，星載有效載荷數(shù)據(jù)傳輸總線接口主要有RS 422，CAN，1553B等。

3 噪聲指標(biāo)分析及分配

4 主要設(shè)計(jì)方案

4.1 濾波模塊

選用有源模擬低通濾波器的方案實(shí)現(xiàn)抗混疊和高頻噪聲抑制功能。常見的低通濾波器形式有：臨界阻尼，Bessel，Butterworth，Chebyshev，Cauer等。這幾種類型的濾波器分別具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

（1） Cauer濾波器的過渡帶衰減最陡，然而由于它在阻帶上有固定波動(dòng)，通帶外幅頻曲線的積分不見得小，因而對(duì)濾除高頻雜波，防止頻率混淆，并不最為有利；

（2） 臨界阻尼濾波器對(duì)方波的階躍響應(yīng)完全沒有過沖，但過渡帶衰減最緩慢，這對(duì)防止頻率混疊非常不利；

（3） Chebyshev濾波器在通帶內(nèi)具有紋波，但過渡帶衰減最快；

（4） Butterworth濾波器衰減較慢，通帶內(nèi)平坦。

綜合幾種濾波器的特點(diǎn)，一般工程上選用Chebyshev和Butterworth模擬濾波器。Chebyshev型濾波器過渡帶衰減較快，因此需要的濾波器階數(shù)較少，但在通帶內(nèi)具有紋波，對(duì)測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生影響；相反，Butterworth型濾波器通帶內(nèi)平坦，但過渡帶衰減較慢，因此需要較多的階數(shù)才能完成高頻噪聲抑制功能。因此選用Butterworth型模擬低通濾波器方案。濾波器頻響如圖3所示。

濾波器噪聲與運(yùn)放噪聲（電壓噪聲和電流噪聲）和電阻熱噪聲相關(guān)。濾波器頻響除了與濾波器類型、階數(shù)相關(guān)外，還與運(yùn)算放大器的帶寬增益積、壓擺率等指標(biāo)相關(guān)。綜合噪聲與頻響特性，選用運(yùn)算放大器OP249構(gòu)成Butterworth型低通濾波器。

4.2 模/數(shù)變換模塊

模/數(shù)變換模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)量化功能，主要設(shè)計(jì)約束為測(cè)量帶寬、噪聲指標(biāo)要求。

測(cè)量帶寬要求為DC～3 MHz，由采樣定律可知，最小采樣速率為測(cè)量帶寬的2倍，即為6 MHz。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的額定參數(shù)（降額），要求其最快轉(zhuǎn)換速率不小于10 MHz。選用AD公司的AD9269系列模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。其具體分為AD9269?20，AD9269?40，AD9269?65，AD9269?80，共計(jì)4種型號(hào)，分別對(duì)應(yīng)最高采樣速率為20 MHz，40 MHz，65 MHz，80 MHz。本系統(tǒng)選用AD9269?20即可滿足需求（4種型號(hào)所有接口完全兼容，可便于設(shè)計(jì)擴(kuò)展）。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9269具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1） AD9269采用1.8 V單模擬電源供電，而數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器采用獨(dú)立的電源供電，以適應(yīng)1.8～3.3 V系列的邏輯電平；

（2） 采樣保持電路在最高80 MHz的輸入頻率下仍保持出色的性能，而且成本低、功耗低、易于使用；

（3） AD9269模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以輸入主時(shí)鐘為準(zhǔn)，即輸入主時(shí)鐘頻率為其采樣速率。此接口便于控制和實(shí)現(xiàn)（尤其在高速系統(tǒng)中）。

為了消除共模噪聲，AD9269模擬輸入端采用差分方式。單端?差分變換可通過變壓器、差分放大器等方式實(shí)現(xiàn)，考慮到變壓器對(duì)低頻段信號(hào)不能響應(yīng)，因此設(shè)計(jì)選用差分放大器，以實(shí)現(xiàn)單端?差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

作為高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD9269的輸入轉(zhuǎn)換時(shí)鐘對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果和性能指標(biāo)的影響尤為關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)通過隔離、差分的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘的輸入，可對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘前端與AD9269之間實(shí)現(xiàn)隔離，并消除了時(shí)鐘的共模干擾，最大限度的提高了AD9269的性能。

AD9269設(shè)計(jì)采樣頻率為10 MHz，按照式（2）噪聲估算結(jié)果約為0.1 μV/Hz1/2，滿足噪聲指標(biāo)分配要求。

4.3 控制模塊

控制模塊主要完成系統(tǒng)的控制、模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取、存儲(chǔ)、處理及傳輸。

設(shè)計(jì)選用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸功能。目前，高速DSP主流為Ti公司的C6000系列產(chǎn)品，其最高主頻可達(dá)幾GHz。針對(duì)數(shù)據(jù)采集需求及處理需求，選用TMS320C6415高速、高性能DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器，TMS320C6415主要性能指標(biāo)見表1。

可以看出，TMS320C6415最高指令速度可達(dá)600 MHz，考慮到頻率降額，設(shè)計(jì)主頻為480 MHz（降額因子為0.8）。同時(shí)，TMS320C6415具有功耗小的特點(diǎn)，適合于對(duì)功耗限制較多的領(lǐng)域應(yīng)用。星載有效載荷由于在軌由太陽(yáng)能電池帆板供電，其供電能力有限，因此TMS320C6415非常適合于空間應(yīng)用。

兩組數(shù)據(jù)總線EMIFA口和EMIFB口，其中EMIFB口用于程序存儲(chǔ)和裝載，EMIFA用于與模/數(shù)變換器AD9269輸出數(shù)據(jù)總線連接。由于TMS320C6415的EMIFA口為64 b的數(shù)據(jù)寬度，因此可同時(shí)連接3路AD9269。

TMS320C6415包含3個(gè)全雙工的串行接口（多功能串行接口，Mcbsp），因此設(shè)計(jì)利用串行總線輸出數(shù)據(jù)采集結(jié)果（電平標(biāo)準(zhǔn)為RS 422）。

TMS320C6415具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，因此在其內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集結(jié)果的FFT（頻域數(shù)據(jù)）運(yùn)算，待FFT運(yùn)算結(jié)果完成后輸出。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果如下所述：

分辨率：以10 MHz采樣速率輸出時(shí)域原始數(shù)據(jù)，樣本長(zhǎng)度為4 096點(diǎn)。通過數(shù)字濾波器（Origin或Matlab軟件）將其濾波至16 Hz頻帶以內(nèi)，計(jì)算4 096點(diǎn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果作為DC～16 Hz頻帶內(nèi)的分辨率指標(biāo)。具體測(cè)試結(jié)果31 μV（DC～16 Hz），滿足指標(biāo)指標(biāo)需求。

噪聲（功率譜密度）：TMS320C6415以4 096點(diǎn)為樣本長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行FFT計(jì)算（窗函數(shù)為功率譜），以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的功率譜密度數(shù)據(jù)作為噪聲的指標(biāo)。具體測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，噪聲（功率譜密度）測(cè)試結(jié)果中除2.001 95 MHz頻點(diǎn)外，其余均符合設(shè)計(jì)要求。

2.001 95 MHz噪點(diǎn)原因分析：由圖4可以看出，2.001 95 MHz頻點(diǎn)教其他頻點(diǎn)幅度較大（約20 dB，相當(dāng)于Q值較高），一般模擬電路中很少存在此類噪聲頻點(diǎn)。經(jīng)過分析和驗(yàn)證，此噪聲點(diǎn)是由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中CAN總線驅(qū)動(dòng)器（用于指令輸入）用晶振頻率為16 MHz，利用濾波器抗混疊（如圖2）見原理，其在采樣頻率2次旁瓣的鏡頻點(diǎn)為2 MHz。測(cè)試時(shí)如將CAN總線驅(qū)動(dòng)器去除（16 MHz晶振不起振），則測(cè)試結(jié)果中不出現(xiàn)2.001 95 MHz噪點(diǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于DSP系統(tǒng)的高數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用的Ti公司的高速信號(hào)處理器TMS320C6415，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器選用AD公司的AD9269，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集和處理。該設(shè)計(jì)已在某星載有效載荷中成功應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，可應(yīng)用于各類星載有效載荷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] TI. TMS320C3X user guide [Z]. US： TI， 1997.

[2] TI. TMS320C6000 user guide [Z]. US： TI， 2003.

[3] 杜普選，馬慶龍.實(shí)時(shí)DSP技術(shù)及浮點(diǎn)處理器的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[4] 高光天，薛天宇，孟慶昌，等.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[5] 吳道悌，劉曉輝，鄭明.非電量電測(cè)技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[6] 田晨，喻勝.圓波導(dǎo)TE01?TE11模式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（17）：176?177.