基于DSP的多通道數據采集系統(tǒng)設計

成曉煒，范濤

（西安石油大學電子工程學院，西安710065）

0 引言

在石油鉆井中，獲得精確的鉆具姿態(tài)信息（井斜角I、方位角A、工具面角T）是實現井下全角度導向鉆井的關鍵因素[1-2]。石油鉆井中使用測斜儀對井下鉆具姿態(tài)參數進行測量，受機械制造、加工，以及傳感器安裝等工藝水平的影響，實際上測斜儀各軸與理想坐標系各軸并不重合，即存在位置誤差。位置誤差引起的井斜角測量誤差可達30%，嚴重影響鉆具姿態(tài)測量的精確性。在如今石油鉆井中，井上工作人員需要對井下的工況進行實時的掌握，這就需要對井下鉆具的姿態(tài)信息，溫度等信息進行實時的采集。早期采用單片機對井下各種參數進行數據的采集，但其外設硬件電路設計復雜、數據處理能力不強、運算速度慢，因此并不適合如今的設計[3-4]。

針對以上問題，系統(tǒng)選用TMS320F2812作為核心控制器。這款DSP芯片硬件支持32位定點數快速運算、代碼編寫簡單、精度高、算法移植性好，具備ADC、SPI、SCI等豐富功能外設，可簡化硬件電路的設計難度。本系統(tǒng)使用ADI公司生產的模數轉換芯片AD7606進行數據的采集，AD7606是一款16位8通道的雙極性同步采樣SAR ADC，具有片內過壓保護功能，可簡化信號調理電路，降低成本。

1 硬件結構及引腳功能介紹

1.1 主控芯片TMS320F2812介紹

系統(tǒng)采用TI公司生產的TMS320F2812型DSP為系統(tǒng)主控芯片，其為32位定點微控制處理器，主頻高達150MHz，芯片內核采用1.9V直流電源供電，外設引腳采用3.3V直流電源供電，其外設硬件電路主要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路、TATG仿真接口電路等，并且具備SPI、SCI、CAN 等總線接口，體積小，性能強，外設集成度高，同時對于不同的工作環(huán)境擁有不同溫度級別的芯片，可適用于多種控制類工業(yè)設備。

1.2 A/D轉換芯片

本設計采用16位8通道AD7606，片內集成輸入放大器、過壓保護電路、二階模擬抗混疊濾波器、模擬多路復用器、2.5V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606采用單電源5V供電，可以對±5V和±10V真雙極性輸入信號，同時所有通道均能以高達200KSPS的吞吐速率采樣。AD7606共有64個引腳，除去供電與接地的部分引腳外，

DB0～DB15引腳表示并行數據輸出位，用來傳輸AD轉換得到的數據，是ADC與控制器之間進行數據通信的通道。REFIN/REFOUT引腳表示基準電壓輸入/輸出，如果此引腳置高時，將提供2.5V片內基準電壓供外部使用；置低時，可以將外部的2.5V基準電壓供給AD使用[5]。

1.3 硬件結構設計

系統(tǒng)總體硬件設計如下圖所示，主要包括DSP的最小系統(tǒng)和AD采樣模塊電路。DSP最小系統(tǒng)包括由TPS767D301組成的芯片供電電路、時鐘電路、復位電路、JATG仿真接口電路。AD模塊主要是將傳感器采集到的信號經過數字濾波后傳到AD7606進行數據的模數轉換，AD采樣值為±10V。為提高系統(tǒng)的數據采集精度，系統(tǒng)采用ADR421基準電壓芯片為ADC提供基準電壓，ADC將采集到的信號通過DB0～DB15引腳與DSP的外部接口XINTF連接進行數據的通信。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 軟件設計

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化編程，系統(tǒng)控制程序主要由主程序、XINTF子程序、定時器中斷子程序、AD7606初始化程序等組成。系統(tǒng)主程序如圖2所示，主要負責DSP系統(tǒng)的初始化，包括時鐘初始化、中斷初始化、初始化系統(tǒng)等任務[6]。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

XINTF子程序主要完成的是AD7606與DSP芯片之間的數據通信。TMS320F2812的外部接口XINTF采用非復用異步總線，通常用來擴展SRAM、ADC等模塊。XINTF接口是DSP2812與外部設備進行通信的重要接口，這些接口與DSP片內的存儲空間相互對應，當ADC與DSP通信時，DSP處理器通過對存儲空間進行讀/寫操作，從而控制外部接口，在使用XINTF與AD7606進行通信時，無論是讀操作還是寫操作，DSP都作為主設備，外部設備作為從設備，ADC不能控制F2812的外部接口信號線，只能讀取、判斷信號線的狀態(tài)，來進行數據的傳輸。

定時器中斷子程序用來提供一個中斷信號，用來啟動ADC模塊，通過查閱AD7606的數據手冊，配合ADC時序圖，中斷子程序可以更加快速地進行ADC模塊的啟動與運行。

ADC初始程序主要功能在于DSP對于ADC芯片的控制，DSP提供控制信號，用來進行ADC的啟動、數據傳輸、時序控制等，其部分程序如下所示：

interrupt void cpu_timer0_isr（void）

SET_ADCLK;//啟動轉換信號

DELAY_US（1）;//給予適當的電平延時

CLR_ADCLK;

DELAY_US（1）;

while（AD_BUSY）//等待轉換結束

for（i=0;i＜8;i++）

DOUT[i]=AD7656_BASIC;//讀取 8路 AD通道數據

conv_flg=1;

EALLOW;//確認此中斷以從組1接收更多中斷

PieCtrlRegs.PIEACK.all=PIEACK_GROUP1;

EDIS;}

3 系統(tǒng)性能測試

為了驗證該數據采集系統(tǒng)的可行性，對其進行性能測試，輸入信號為Keithley 2280S-32-6高精度測量直流電源給出，測量值由AD采樣模塊通過數據采集經過數據重建得到，由表1可以看出該數據采集系統(tǒng)的誤差值在0.01V以下，而DSP2812內部的12位AD采樣模塊采樣精度在0.1V，可見此數據采集系統(tǒng)的精度要比利用單片機內部采樣模塊精度提高十倍以上。

表1 AD采樣結果測試

4 結語

本文描述了以16位AD采樣芯片AD7606和TI公司TMS320F2812型DSP分別為采樣芯片和控制芯片的數據采集系統(tǒng)的設計，給出了AD7606以及DSP硬件連接方案，同時提出了軟件編程的基本框架。目前該軟硬件設計方案已經運用在具體數據采集實驗測試當中，8通道的數據采集可以實現井下工況的多種信號同時測量，具有實際的使用和參考作用。