基于ADS8364的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

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　　系統(tǒng)主要完成的任務為：DSP接收上位機通過CAN總線上發(fā)送的命令，完成系統(tǒng)工作參數(shù)的設置，并通過模擬地址/數(shù)據(jù)總線與CPLD進行通信，向CPLD發(fā)送控制命令；對外部的多路模擬量輸入進行信號調(diào)理，在CPLD控制下進行單通道A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)存儲在1片F(xiàn)lash芯片中，并經(jīng)過CAN總線實時傳送給上位PC104主機。
2 系統(tǒng)硬件
　　系統(tǒng)硬件包括信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP 處理器模塊、CPLD 邏輯控制模塊以及CAN總線通信模塊。DSP、CPLD、ADS8364之間的接口設計如圖2所示。

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2.1 信號調(diào)理模塊的設計^[1]
　　激光位移傳感器輸出的模擬量電流輸入信號的范圍為4～20 mA。ADS8364待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍應保持在AGND-0.3 V和AVDD+0.3 V之間。通過1個250 Ω精密取樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號。通過運放跟隨電路提高輸入阻抗，增強系統(tǒng)的抗干擾能力。電路中取樣電阻非常關(guān)鍵，它們影響著輸入信號的變換精度，因此必須采用溫漂較小的精密電阻。
2.2 DSP處理器與A/D轉(zhuǎn)換模塊設計
　　本采集系統(tǒng)要求對激光位移傳感器的模擬信號進行采集，鑒于測量精度要求較高，選擇TI公司的高精度ADS8364作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是TI公司新推出的高速、低功耗、6通道同步采樣16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用+5 V工作電壓，最大采樣吞吐率可高達5 MHz; 帶有80 dB共模抑制的全差分輸入通道以及6個4 s連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6個差分采樣放大器；片上還帶有+2.5 V參考電壓以及高速并行接口。
　　DSP主要負責通過CAN總線與上位機交換數(shù)據(jù)、以地址/數(shù)據(jù)總線的方式與CPLD 通信, 實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制以及對采樣后的數(shù)據(jù)進行前端數(shù)字信號處理(數(shù)字低通濾波)。這里選用TI公司的32位定點DSP TMS320F2812芯片,它采用1.8 V 的內(nèi)核電壓, 具有3.3 V 的外圍接口電壓,最高頻率150 MHz,片內(nèi)有18 KB的RAM, 128 KB的高速Flash^[2]。
　　在本系統(tǒng)中，上電后由硬件復位ADS8364，ADS8364的CLK時鐘由外部獨立的有源晶振提供,頻率為4 MHz。A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。將ADS8364的BYTE引腳接低電平,使轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位的方式輸出。地址/模式信號(A0,A1,A2)決定ADS8364 的數(shù)據(jù)讀取方式,可以選擇的方式包括單通道、周期或FIFO模式。將ADD引腳置為高電平, 使得讀出的數(shù)據(jù)中包含轉(zhuǎn)換通道信息?？紤]到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的采樣頻率一般較高,如果用DSP直接控制ADS8364的訪問,將占用DSP較多的資源, 同時對DSP的實時性要求也較高。因此在本系統(tǒng)設計中, 用CPLD實現(xiàn)ADS8364的接口控制電路。DSP的GPIO與ADS8364的HOLDA、HOLDB、HOLDC信號相連，控制6個ADC的采樣/保持。EOC連接到F2812的XINT1。
2.3 CPLD邏輯控制模塊設計^[3]
　　在該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中, CPLD是一個重要的組成部分。由CPLD 組成的邏輯控制模塊接收DSP傳送過來的動作命令, 控制A/D 轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)采集。這里選用Altera公司的MAX II系列芯片 EPM1270, 它包含1 270個LE相當于40 000門數(shù)，980個等效宏單元數(shù)，8 KB用戶可用Flash。116個用戶可用I/O口，擴展方便。
　　CPLD 作為一個單獨的控制執(zhí)行結(jié)構(gòu),通過編寫相應的Verilog HDL代碼, 即可生成相應的操作電路, 實現(xiàn)對各種輸入信號的鎖存、判斷、處理以及對各種命令信號的執(zhí)行和輸出信號的控制。

2.4 CAN通信模塊設計

　　由于所選的TMS320F2812 DSP 內(nèi)部含有CAN控制器，只需加1個CAN收發(fā)器芯片即可實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡。CAN通信模塊的功能是將采集系統(tǒng)的采樣結(jié)果及運行參數(shù)實時上傳到總線，提供給上位機存儲及處理。
3 系統(tǒng)軟件設計
　　軟件程序運行于硬件平臺之上，實現(xiàn)采樣系統(tǒng)的采集、濾波以及后期處理，是測量裝置的靈魂。本裝置軟件設計主要由主程序和子程序組成。為了實現(xiàn)準確、快速、實時的測量功能，采用C 語言和匯編語言混合編程。
3.1 DSP 程序設計
　　DSP編程的主要任務是初始化、管理板上的資源和實現(xiàn)前端數(shù)字信號處理的算法。這里以TI公司提供的功能強大的CCS(Code Composer Studio) 為集成開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)上電復位后, 首先完成F2812 自身的初始化, 包括配置RAM塊、設置I/O 模式、定時器模式、中斷等; 然后程序進入循環(huán)狀態(tài),等待上位機CAN指令的到來。在F2812的程序存儲器中存儲常用的數(shù)字信號處理算法,F2812在收到上位機通過CAN總線發(fā)送的控制指令后,在中斷函數(shù)中選擇某種處理算法,同時向CPLD發(fā)出動作命令,控制A/D轉(zhuǎn)換模塊完成信號的采集并將采集到的數(shù)據(jù)存入SRAM中。當采樣點數(shù)達到設定點數(shù)時，DSP程序?qū)崿F(xiàn)對部分采樣數(shù)據(jù)的讀取,在主循環(huán)程序中根據(jù)上位機選定的處理算法完成數(shù)據(jù)的前端處理,然后將數(shù)據(jù)打包,通過CAN總線傳輸給上位機。F2812主程序流程圖如圖3所示。

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3.2 數(shù)據(jù)采集子程序流程
　　數(shù)據(jù)采集子程序流程如圖4所示。首先，在外部時鐘信號的作用下，F(xiàn)2812要提供ADS8364所需的HOLD保持信號，啟動轉(zhuǎn)換。待ADS8364轉(zhuǎn)換完成時，產(chǎn)生EOC中斷信號給F2812，F(xiàn)2812接收到EOC信號后，對所需的通道結(jié)果寄存器進行讀操作，只要保證CS和RD同時為低50 ns以上，就可將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)讀出。由于測量系統(tǒng)采樣時刻由數(shù)控系統(tǒng)運動狀態(tài)來決定,因此,對于采樣時刻的確定要在測量機構(gòu)運動過程中的空閑時間進行。保證空閑時間遠大于2 ms并且保證采樣時刻對應其他各軸的坐標反映了測量目標的真實形狀數(shù)據(jù)。由于ADS8364的轉(zhuǎn)換速度很快，在啟動A/D轉(zhuǎn)換之后，只需等待5 μs即可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此可采用等待方式，等待時間大于5 μs即可讀取數(shù)據(jù)。在實際工作時，智能測量節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心處理主機進行存儲、處理。中心處理主機采用PC104總線的嵌人式CPU，通過CAN接口卡PCI5121和智能節(jié)點通信。

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　　本文將TMS320F2812與ADS8364相結(jié)合,設計了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CAN總線與上位機通信, 充分發(fā)揮了CAN2.0方便、快捷的優(yōu)點?？紤]到對實時性的要求,將某些特定的數(shù)字信號處理算法放到數(shù)據(jù)采集處理卡上由DSP快速完成。該系統(tǒng)采集精度高, 速度快,并且可同時采集多路信號。該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)已經(jīng)用于大型曲面鋼板的結(jié)構(gòu)參數(shù)測量中，實踐證明, 運行穩(wěn)定可靠。