基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統①

姜建國 趙 宇

(東北石油大學電氣信息工程學院)

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統①

姜建國 趙 宇

(東北石油大學電氣信息工程學院)

為了實現傳統DSP的ADC采集校正與顯示功能，設計了DSPF2812開發板和參考電壓電路，通過為ADC采樣通道提供兩路精準的參考電壓，消除了DSP采樣時系統本身存在的誤差和漂移。對溫度和濕度采樣信號進行限幅數字濾波，通過OCMJ8×15D液晶進行溫濕度顯示，實現人機交互。實驗調試結果表明：校正后采樣值與實際值的誤差不超過0.3%，而且系統運行穩定，彌補了傳統單純采用DSP在ADC采集方面的不足。

ADC采樣校正與顯示 DSP 誤差 限幅數字濾波 參考電壓

數字信號處理芯片DSPF2812具有12位ADC模塊，其精度基本滿足工程需求。但是根據實際工程經驗，一般ADC模塊的采樣精度比理論值少3位，導致采樣值和實際值之間的相對誤差最大時會超過15%，給測量帶來極大的不便。為此，筆者設計了一個基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統，為傳統DSP采樣提供兩路精準參考電壓，通過硬件校準和軟件濾波方式實現對溫濕度信號的采集與顯示，使系統操作方便，并提高工作穩定性。

1 系統總體設計

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統結構框圖如圖1所示。該系統通過傳感器對周圍環境的溫度和濕度進行采集，通過OPA188隔離處理和A/D采樣校正環節后，有效地補償了由轉換特性引起的增益和偏移誤差；通過自主設計的DSP2812進行軟件數字濾波處理，以進一步提高檢測精度，減小由外界波動引起的測量偏差，最后在液晶屏上顯示檢測到的溫濕度值，實現人機交互。

圖1 系統結構框圖

2 硬件部分

2.1 DSP核心處理器

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統的核心部分是自主設計的DSP開發板，它一改傳統的馮·諾依曼結構，采用先進的哈佛總線結構，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法；采用C/C++編寫程序，軟件效率高，具有優秀的可編程性，實時系統運行速度可達到每秒鐘數以千萬行復雜的指令和程序，遠超過其他通用微處理器[1,2]。

2.2 精準參考電壓電路

為了提高采樣精度，對ADC校正之前需要提供兩路精準的參考電壓給ADC模塊任意兩個采樣通道，這樣通過轉換兩路已知的信號就可以求出DSP在轉換過程中本身存在的增益系數和偏移量，然后利用這兩個參數即可校正ADC其他采樣通道。三端穩壓管TL431是一個具有良好熱穩定性的三端可調分流基準源，通過調節電阻可以設置參考電壓Vref(范圍為2.5～36.0V)。具體電路如圖2所示。

圖2 精準參考電壓電路

輸出電壓Vout為：

(1)

將輸入電壓Vin=5V、R1=2kΩ、R2=10kΩ代入式(1)，可得：

兩個參考電壓Vrefa、Vrefb的計算值：

將Vrefa、Vrefb作為DSP2812ADC模塊的精準參考電壓，得到ADC模塊校正曲線(圖3)。

圖3 ADC模塊校正曲線

模擬輸入量X與數字輸出量Y的關系為：

理想型Y=mi×X

實際型Y=ma×X+b

利用獲得的參考電壓可得方程組：

(2)

轉換后得：

(3)

這樣，只要知道數字輸出量Y，就可以求得實際的模擬輸入量X：

X=(Y-b)/ma

(4)

3 軟件部分

代碼調試器(Code Composer Studio，CCS)是一種針對標準STM32調試接口的集成開發環境，采用Windows風格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調試及實時跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開發與設計，是目前使用最為廣泛的DSP開發軟件之一[3,4]。

3.1 數字濾波

在微機控制系統的模擬輸入信號中，一般含有來自被測信號源本身、傳感器或外界的各種噪聲和干擾。為了實現準確的測量和控制，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。與傳統濾波方法相比，數字濾波是通過軟件實現的，不需要增加額外設備，具有成本低、可靠性高、多通道共享及更改參數靈活等優點，不存在阻抗匹配問題，因此筆者采用數字濾波方法。

由于溫度和濕度信號變化比較緩慢，故采用限幅濾波方法。把兩次相鄰的采樣值相減求出其增量(以絕對值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象的實際情況決定)ΔY進行比較，若不大于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則取上次采樣值作為本次采樣值。即：

(5)

其中，ΔY=0.1。

3.2 液晶顯示

系統液晶模塊選用的是中文集成模塊顯示屏OCMJ8×15D，它采用3.3V電壓驅動，不需要直流電源，使得整個系統更加簡潔[5～7]。可接收標準中文文字內碼而不需要進入繪圖模式，以繪圖方式掃描中文可以節省許多微處理器時間，提升液晶顯示中文數字的效率[8,9]。通過插入DSP軟件延時的方法來實現DSP與液晶顯示的匹配，使硬件結構得以簡化。在中斷處理中進行采樣數據的轉換、校準及濾波等。具體流程如圖4所示。

圖4 液晶顯示流程

4 實驗結果

完成系統設計后，通過溫濕度傳感器對溫度和濕度兩路信號進行采集(圖5)，在DSP內部進行ADC采樣校正和數字濾波處理，當數值超出預設范圍時將啟動報警系統，最后在液晶屏上對處理后的溫濕度信息進行顯示。運行調試結果表明，該系統結構簡單、運行穩定、造價便宜，適用于工農業領域。

圖5 ADC采樣顯示窗口

5 結束語

筆者設計了一個基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統。利用自主設計的高速DSP來控制低速液晶顯示，從而實現對室內溫濕度的實時監測，通過調試，消除了DSP采樣時系統本身存在的誤差和漂移，校正后，采樣值與實際值誤差不超過0.3%。該系統設計成本低，軟硬件設計簡單，運行可靠，開發周期短，可擴展性強，彌補了傳統的單純采用DSP進行ADC采集的不足，特別適用于對溫濕度要求較高的工農業領域，具有一定的實用價值。

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TemperatureandHumiditySamplingCalibrationandDisplaySystemBasedonDSPandADC

JIANG Jian-guo, ZHAO Yu

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to achieve DSP’s functions of ADC sampling correction and display, both DSPF2812 development board and reference voltage circuit were designed independently; through providing ADC sampling channels with two-way precision reference voltage, both sampling error and drift of the DSP were eliminated, including having the limited digital filtering applied to the temperature and humidity sampling signals and the temperature and humidity displayed via a OCMJ8×15D LCD so as to realize human-computer interaction.

TH862+.7

B

1000-3932(2017)08-0747-04

2017-02-27)

(Continued on Page 756)

黑龍江省自然科學基金項目(E2016013)。

姜建國(1966-)，教授，從事電力系統自動化的研究。

聯系人趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動的研究，1045090829@qq.com。