16通道聲發射同步數據采集中的電路設計

張笑彰 高博男

【摘要】? ? 針對煤巖聲發射信號監測系統需求，采用定點DSP芯片TMS320VC5509A設計具有24位分辨率的數據采集電路，控制接口采用12C接口擴展I/O方式實現，以幀同步方式實現，采用菊花鏈方式級聯，數據采集電路具有接口簡單，低功耗等特點，應用于研制的煤巖聲發射監控系統中。

【關鍵詞】? ? DSP? ? 聲發射? ? 電路設計

煤巖聲發射檢測是公認的有發展前途的連續預測煤礦動力災害的方法，國內已有多套國產系統投運，煤巖聲發射信號采集是監測系統實現的重要環節，要求數據采集電路具有大動態范圍，國內已有多家單位進行相關研究工作，熊慶國等研制出便于攜帶的單聲通道巖體聲發射監測儀，周鳳星等設計出能同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號的聲發射數據集站。王繼強等分別設計了8通道的微震實時監測系統。隨著處理器的性能不斷改善，更多通道的煤巖聲發射信號采集成為可能。TMS320VC5509A是一款低功耗，16位定點DSP處理器，具有豐富的外設，ADS1278的一款工業級的24文分辨率同步A/D轉換器，采樣率最高達144ksps，實現更多通道的數據采集，本文以TMS320VC5509A為核心，擴展了2片AD1278，實現16通道同步數據采集。

一、數據采集電路原理

數據采集電路結構工作原理是，TMS320VC5509A首先完成自身資源的配置，通過I2C總線配置I/O狀態，準備工作完成后VC5509A發出同步轉換脈沖，傳感器采集煤巖聲發射信號經預處理后送入ADS1278進行數據轉換，數據送入VC5509A的McBSP端口。

由數據采集電路原理可知，VC5509A接口是設計的核心，接口電路按功能分為控制與數據接口，控制接口用于設置ADS1278工作模式。數據接口用于傳輸ADS1278采集數據。

二、數據采集電路硬件實現

ADS1278工作模式與通道使能是通過引腳設定，每篇需設置引腳14個。如I/O口完成配置會造成很大的資源浪費，通過I2C控制器掛載兩片PCA935完成配置。

3位撥碼開關用于設置PCA955的I2C地址，MODE用于設置工作模式，CLKDIV用于設置時鐘是否減半，對應的I/O口寫入低電平時，指示燈電量。觀察配置是否成功。

ADS1278轉換后數據以串行方式通過引腳輸出，通過VC5509A的McBSP外設接口接受轉換后的數據，支持SPI與幀同步協議，幀同步模式擁有更快的傳輸速度。VC5509A與ADS1278采用幀同步協議數據接口電路，以菊花鏈方式級聯，DOUT1連接到U2的DIN輸入，連到VC5509A的DRI引腳，U2和U3擁有相同的SCLK，FSYNC控制信號。

穩定的電源是實現高精度數據采集的必要保障，數據采集電路包含ADS1278的1.8V內核電源等典型電源，5V模擬電源通過LM7805線性穩壓得到，1.8V數字電源通過高電源抑制比電源芯片TPS73018獲得。基準電路在高精度數據采集電路設計中非常重要，會直接影響采集電路的精度，采用低噪聲，高精度的電壓基準芯片為ADS1278提供參考電壓，在將基準信號送入ADS1278前添加一級調理電路阻抗匹配，使REF5025輸出性能達到最佳。

三、數據采集地層軟件實現

數據采集電路地層軟件實現包括配置與數據采集，配置分為對VC5509A初始化，包括CSL庫，GPIO，定時器，DMA等，對ADS1278參數的設置包括通道開啟情況等，數據采集工作主要由DMA完成，CPU僅負責緩沖區等操作。

系統上電后首先完成初始化工作，進入中斷等待狀態，由DMA采集數據，DMA存滿緩沖區后觸發中斷。CPU進行數據處理等操作返回等待下次中斷。DMA與CPU并行工作，DMA專門負責存儲數據，CPU負責切換緩沖區，CPU與DMS操作不同的緩沖區，CPU處理緩沖區1數據。DMA與CPU實現乒乓切換操作，使DSP發揮最佳性能。

數據采集電路通道多，選取兩組典型通道測試同一信號，通過Graph工具調取緩沖區數據顯示采集信號波形，測試中設置ADS1278采樣頻率為9375Hz，橫坐標為換算后的時間信息，縱坐標為A/D的實際數值。圖中測試信號頻率為100Hz，兩通道采集信號波形一致，說明兩通道采樣同步性，通道3信號頻率為200Hz，通道9信號頻率為300Hz，通道9信號頻率為通道3 的1.5倍，說明通道采集不同信號正確性。兩圖中信號連續光滑，說明采集電路的高性能。

結語：本文針對煤巖聲發射信號采集提出大動態范圍數據采集電路解決方案，實現多通道數據同步采集，可靈活開啟各通道等，采用數據采集電路方案，實現更多通道數據同步采集，數據采集電路可擴展通道數會受到工作模式的制約。