基于ADSl274的可控式高精度数据采集系统设计

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1 引言    便携式振动测试分析仪凭借其轻巧方便，适用范围广，灵活性高，测量对象多的特点。在旋转振动信号采集领域取得了广泛应用。传统振动侧试仪采用8位或16位单片机作为其控制器，用加速度传感器或其他传感器采集振动物理信号，并通过模拟调理电路和数字调理电路将该信号进行数字式量化，然后利用处理器对数据进行时域和频域分析。但它的总体性能较差，主要表现：MCU功能弱；工作模式简单；灵活性比较差；采样精度低；功耗较高。对此采用TMS320VC5502高性能数字信号处理器(DSP)和ADSl274高精度∑一△结构A／D转换器，构建了一个工作模式可控的高精度数据采集系统。该系统具有高精度多通道同步采样和工作模式动态选择等功能，用户可根据需要合理选择系统的工作模式，使测试需求与系统功耗达到最佳配比。2 器件选型2．1 TMS320VC5502简介    TMS320vc5502是一款高性能的DSP。可以提供具有300 MHz双MAC的强大性能，可实现高速、大容量数字信号处理，现已广泛用于嵌入式电信设备、消费类音频、医疗、生物辨识和工业传感器等领域。TMS320VC5502既提供了16／8位加强型主机接口(HPI)，可实现双处理器间的数据通讯功能；提供32位外部存储器接口(EMIF)，以实现与廉价的SDRAM、SbRAM、异步RAM和Flash存储器的无缝连接，便于外部存储器扩展；具有3个McbSP和6通道DMA，可支持128通道100 Mh／s的内外部数据传输。2．2 ADSl274简介    ADSl274是一款高精度A／D转换器，具有24位精度．是一种宽动态范围的新型A/D转换器，可实现4通道同步数据采集。ADSl274具有62 kHz的带宽，最高采样频率可达128KS／s。主要特性包括：①采用差动输入方式，所以输入端可直接与传感器或微小的电压信号相连；②采用∑一△结构，具有宽泛的动态范围和24位无差错编码；③采用低噪声增益可编程放大器(PGA)，可扩展动态范围，提高分辨率；④内部采用三阶数字滤波器，可滤除电源波纹和其他干扰；⑤采用多种内部自校正技术，用于校正失调电压，校准满刻度误差；⑥提供SPI或FRAME-SYNC接口；⑦提供高速、高分辨率、低功耗和低速4种工作模式可以供用户选择；⑧采用独立供电，+5 V模拟电源，1．8 V数字电源，1．8"3.3 V的I／0电源。ADSl274采用HTOFP一64封装。3 系统硬件设计3．1 系统总体设计    该系统需要实现对旋转机械信号进行多通道实时数据采集、预处理以及与上位机之间的数据传输等功能。该系统采用TMS320VC5502作为主控制器件，片上资源丰富，可提供全双工缓冲串口以及多路I／0接口。系统通过缓冲串口与A／D转换器通讯．并通过两路I／O接口实现对A／D转换器工作模式的控制．通过DSP的增强型HPI接口实现采集数据与上位机的数据传输．其传输速度高达100 Mb／s。TMS320VC一5502能高效地实现系统初始化、外围器件和HPI通讯接口的配置，并根据上位机ARM控制器传送来的主机命令，实时采集和处理数据．最后将处理后的数据包传输给上位机显示、存储和高级处理。


                          
                       
                          
                                3．2 TMS320VC5502与ADSl274的接口电路    ADSl274提供SPI或FRAME—SYNC接口，可方便地实现与处理器的连接。该系统通过TMS320VC5502的多通道缓冲串口(McbSP)与ADSl274数据传输。TMS320VC5502与ADSl274的电路连接如图1所示。3．3 信号调理模块    ADSl274通过设置可以采用单端输入和差分输入两种模式。差分输入可有效抑制零漂和消除信号共模干扰，因此系统设计通过运放OPAl632后将信号输入配置为差分输入方式，具体信号调理电路如图2所示。

3．4 电源模块    TMS320VC5502需提供+3．3 V(I/O电源)和1．26 V(DSP核电源)两种不同的供电电源，而ADSl274需对10VDD(+3．3V)、AVDD(+5 V)、DVDD(+1．8 V)分别供电，凶此系统设计需要电源模块电路，以保证系统正常工作。这里，选用TI公司的专用电源转换器设计电源电路模块，如图3所示。


                          
                       
                          
                                3．5 ADSl274工作模式    由于∑一△结构的A／D转换器由于采用过抽样理论，允许牺牲速度换取高精度或牺牲精度获取高采样频率，因此通过对过抽样率的调整来控制采样频率和采样精度，以满足不同信号的采样需求。ADSl274可提供高速、高分辨率、低功耗和低速4种操作模式供用户选择，也可通过配置MODE[1：0]引脚信号实现模式控制。将ADSl274的模式选择引脚MODE[1：0]连接到DSP巾的通用I/0端GPI03和GPI05引脚来选择4种模式。在数据采集系统初始化阶段，通过设置使DSP从GPI-03、GPIO5输出相应的模式选择信号，从而实现模式选择的可控性。同时，通过DSP的定时器给ADSl274输出时钟，从而更精确地控制4个通道的同步采样频率。3．6 数据通讯接口    ADl274的数据输出接口基于SPI和Frame一Sync两种协议，通过控制FORMAT[2：0]引脚来配置数据输出模式。该系统设计通过DSP的缓冲串口与A／D转换器数据传输。通过将FORMAT[2：0]3个引脚置低，而将数据接口配置为SPI协议的TDM模式。4 系统软件设计    系统软件设计主要包括TMS320VC5502串口和ADSl274初始化、DSP主程序、驱动程序和应用程序。DSP通过对McbSP复位并配置McbSP寄存器，完成串口初始化。ADSl274的初始化是通过配置控制寄存器而使数据、寄存器地址和配置信息在同一串口传输，ADSl274采用SPI和FRAME-SYNC通信模式，数据由DOUT读出，然后通过McbSP串口将数据传输给DSP进行数据处理。    系统软件函数主要包括mcbsp0_init，start_timerO，inter-rupt_init，CSL_init()，PLL_setFreq等。通过配置GPT和GPI0及系统中断来控制两个I／0端口的输出，以实现对ADSl274工作模式的控制。
5 结语    在开发以ARM_DSP双核架构为基础的便携式数据采集仪中，为解决系统数据采集精度、速度和功耗问题，构建了一种模式可控的高精度数据采集系统。该系统采用高性能DSP作为主控制器，动态控制A／D转换器的工作模式．增强了嵌入式系统的应用灵活性和通用性，使用户可以根据任务灵活选择A/D转换器的工作模式，以使系统工作在最佳的功耗和性能配比下。该系统设计打破了以往A／D转换器固定工作模式的设计理念，为构建嵌入式数据采集系统提供了一个更灵活、通用的解决方案。