基于TMS320F2812 DSP控制器的电动机速度调控试验台

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    The Design of Data Collection System Based on TMS320F2812 DSP Chip
摘  要：介绍了一种基于TMS320F2812 DSP芯片设计的信号采集系统，讨论了系统硬件组成中信号调理模块和A/D转换模块的设计要点，同时介绍了FIR数字滤波器在DSP中的实现方法。
关键词：DSP；信号采集；滤波
Abstract: This paper introduces a kind of data collection system based on Digital Signal Processor TMS320F2812. The paper gives key solutions of sensing signal conditioning and ADC module. Design method of FIR filter used in DSP is also introduced in detail.  
Key words: DSP, Data collection, filter
1引言
在工业控制及各类科学实验中，常常需要采集测试现场的各种物理量如：温度、压力、位移、速度、加速度等信号并及时进行分析处理，以便进一步实施控制。TI公司的TMS320系列的C2000芯片是专为工业自动化和传感、测量、控制而设计的。本文针对一个智能隔振装置中信号类型多样，极性、幅值大小不同的情况，实现基于TMS320F2812 DSP的信号采集系统，利用DSP强大的数据处理能力，实现多路信号的高速采集和处理。
2系统硬件组成及工作原理
系统硬件设计以TMS320F2812为核心，利用运放升压电路和仪表放大器将传感器信号进行调理，以符合模数转换器件的工作范围。经调理的模拟量送DSP控制器内置的12bit A/D转换模块，同时通过校准电路提高采样精度。采集数据的存储、分析和处理由DSP完成。
2.1信号调理模块
2.1.1 升压电路设计
智能隔振装置控制目标众多，测点较多，使用的传感器类型多样。由变送器输出电信号有：±1V双极型电压信号、4mA"20mA电流信号。由于F2812的ADC模块要求0"3V的模拟输入电压，为使电平匹配及保护DSP片内的A/D模块，必须在DSP的A/D模块前加一个电压转换电路，将双极性电压转换到以ADC半量程为中心的单极性电压。对于±1V双极型电压，通过一个运放组成的加法器，调整ADC输入电压范围在0.5V"2.5V。如图 1所示，在输入信号上叠加一直流分量，直流分量的大小可由电位器R5来控制，这样通过调节电位器必然可使输入到DSP A/D模块的信号在0.5V"2.5V内。


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图 1 运放升压电路

2.1.2 电流-电压转换电路设计
4mA"20mA电流传感器的信号是单端的，这一开始就提出了需要一只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC的高阻抗模拟输入端。为减少由线路电阻引起的，与电流相关的失调误差，增强抗干扰能力，采用了差分输入方式检测电流信号，经仪表放大器隔离放大，加到ADC输入端。图2示出4mA"20mA的电流型传感器的信号如何连接到F2812的12bitADC模块的。



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图2 4mA"20mA接收器电路

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，可用于放大噪声环境中传感器输出的弱信号。本系统采用AD627作为ADC前端的前置放大器。它是一种单电源、微功耗仪表放大器，仅使用一只外部电阻器可将增益配置在5"1000之间，它采用3V"30V单电源提供R-R输出电压摆幅，在3V电源工作条件下具有仅60μA(典型值)静态电源电流，其总功耗小于180μW。[1]
一个 24.9Ω 的分流电阻器在AD627的输入端产生介于 100 mV（对应4mA输入）与 500 mV（对应 20mA 输入）之间的最大差分输入电压。在不存在增益电阻器的情况下，AD627把该500mV输入电压放大5倍达到2.5V，即ADC的满刻度输入电压。
在实际利用仪表放大器的设计中由于AD627的输出电压为相对于基准端的电压,为获得较高的共模抑制比,其REF引脚应连接于低阻抗点。所有的仪表放大器都能将通带外的高频信号整流；整流后,这些信号在输出中表现为直流失调误差。可以设计一个低通滤波器来防止不必要的噪声到达差分输入端。在实际应用中,屏蔽电缆被用来减少噪声；为了在整个频率范围内得到最好的共模抑制比,屏蔽层必须正确地连接。
2.2 A/D转换模块
电流型传感器信号是通过上述仪表放大器调理电路转化为电压信号的，电压型传感器直接通过运放加法器（如OP07DP）进入ADC模块。
2.2.1 F2812 A/D转换器特性
本系统采用TMS320F2812 DSP芯片内置12bit A/D转换器，其前端2个独立的8选1多路切换器和双采样/保持器，构成16个模拟输入通道。通道在数量上能够满足系统传感器个数要求，且留有余地；传感器信号刷新频率较低，最大不超过10kHz，F2812内置ADC在25MHz的ADC时钟下采样频率可达12.5MSPS，显然能满足要求；12bit ADC在3V满输入范围下，具有0.7326mV(3V/4095)极限分辨率，考虑到在上述调理电路中，3V ADC前端采用5倍增益的仪表放大器，它将电路的系统分辨率从0.7326mV提高到0.1465mV，足以满足系统测量分辨率的要求。与此同时，该电路将满刻度范围降低至600mV（3V/5）。
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2.2.2 A/D校准电路设计
理想情况下，模拟输入电压x和其对应的数字量y之间是如下线性关系：
  


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考虑本系统中有双极性电压转换为单极性电压，可以在A6端选择中点(1.5V)作为参考电压，A7端输入0.5V作为另一个低参考电压。如此，系统牺牲两路A/D通道以换取采样精度的提高。校准测量电路如图3所示。



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图3  A/D转换校准电路

3 软件设计
3.1数据采集
采集程序主要包括A/D功能寄存器设置、采集数据的存储器分配等。对ADCCHSELSEQ1"4和ADCtrL1"3寄存器进行设置，选择ADC转换方式和通道的选择、控制；同时通过EVA寄存器设置采样周期和选择定时器2定时进行A/D转换；设置外扩64K的SRAM存储采集数据。
3.2数字滤波处理
为消除信号在外界干扰情况下形成的尖峰信号及零漂等问题，提高测量精度和稳定性，需要对信号进行滤波处理。与模拟滤波相比，数字滤波可以避免模拟滤波无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用DSP芯片实现数字滤波具有较高的稳定性和灵活性，且精度高、不受外界影响。利用TI公司针对C2000系列提供的用于数字滤波的库文件(filter.lib)，同时借助MATLAB的专门用于滤波器设计和分析工具FDAtool(Filter Design & Analysis Tool)，可以帮助软件设计者快速、高效的实现16位定点FIR滤波和IIR滤波。
以测量的振动加速度信号为例，需要对数字信号进行数字滤波处理，滤除大于1kHz的高频信号。系统采有限冲击响应(FIR)滤波算法，FIR滤波器优点是总是稳定的而且具有精确线性相位，允许实现多通道滤波器。其关键是根据实际需要，采用合适的滤波函数并得到滤波系数。
针对振动加速度信号，采用Hamming窗函数设计低通滤波器，采样频率fs=5kHz，通带截止频率fp=1000Hz，滤波器阶数为50。利用Matlab的FDAtool工具易得出滤波系数。滤波器输出幅频及相频特性如图4所示。



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图4 FIR滤波器频率特性

由于F2812是16位定点DSP，设计出低通滤波器后，要在DSP上实现还需要定标，即需要确定运算中小数点的位数，也即确定Q值。本系统中，考虑工程实际精度需要，采用Q15定标，即纯小数运算。将求得滤波系数转换为Q15格式如下：
#define FIR16_COEFF {\   13124,-55640,-2290735,-1640381,2094810,4259839,-64087,-7077158,-5505628,6946003,\
14024703,-64971,-21102301,-15794418,19136190,37093375,-65323,-53280663,-39518293,47906708，\
95027199,-65472,-153485281,-129761306,198311901,648609791}
同理可对其他信号设计滤波器，限于篇幅，不再赘述。
4结束语
本文设计并实现了一个基于DSP的数据采集系统。介绍了在具有多种信号输入模式的情况下，如何利用运放和仪表放大器实现信号调理；提出一种A/D校准电路和算法，结合数字滤波器的设计，提高了DSP内置A/D转换器测量精度，在简化了硬件设计的同时获得了比较好的性能。
本文作者创新点： 1、提出一种A/D校准电路和算法，结合数字滤波器的设计，提高了DSP内置A/D转换器测量精度
                 2、在简化了硬件设计的同时获得了比较好的性能

参考文献
1 A DESIGNER’S GUIDE TO INStrUMENTATION AMPLIFIERS［M］. AD INC,2004
2 F2810,F2811 and F2812 ADC Calibration（SPRA989）［J］.TI, May 2004
3 苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭．TMS320F2812 原理与开发［M］．北京：电子工业出版社，2005
4 王育虔，杨纪明，董顺义，李伟．基于单片机的发动机震动速度、位移和加速度测量方法［J］．微计算机信息，2005，21-7：62-63。上一页  [1] [2]
         
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