基于TMS320F2812的水下电磁场信号采集与处理单元设计

张 静

(大连测控技术研究所，辽宁 大连 116013)

0 引言

某些应用场合，系统包括大量现场传感器节点，而且控制中心距离现场较远。这种情况下，为了实现远距离传输，必须尽可能减少数据传输量，通常不需要传输传感器节点的原始数据，只需要将传感器节点的数据处理结果传输给控制中心。为此，需要在传感器节点处设计1个信号采集与处理单元，实现传感器数据的采集与处理，以及处理结果的远距离传输。本文介绍了1种基于TMS320F2812(以下简称F2812)的信号采集与处理单元的设计方案。

F2812是TI公司生产的工业界首批32位的控制专用的数字信号处理器［1－2］，具有很强的运算能力，能实时地处理许多复杂的控制算法，是专门为工业自动化、光学网络及自动化控制等应用而设计的。选择它的原因之一是其外围接口丰富，片上集成了多种先进的外设(SCI，SPI，McBSP，CAN 等)，能满足数据采集和传输的需要。尤其是增强型的CAN口(eCAN)，可使多个基于DSP的信号处理模块仅通过CAN总线驱动器件就可以并联在CAN总线网络上与上位机通信。CAN总线［3］是1种多主方式的串行通信方式，能实现在信号传输距离很长(10 km)时，仍能达到高达5 kbps的数据传输速率，而且具有高抗电磁干扰性，能检测出产生的任何错误;二是F2812的主频可以高达150 MHz，能实现实时信号采集、处理与传输的功能。

1 系统整体构成

整个系统由水下设备、光电传输缆及岸站设备3个部分组成。岸站设备通过光电复合缆与多个水下信息集成舱连接，每个信息集成舱又拖带多个传感器节点。2个信息集成舱之间以及传感器节点之间都采用级联方式，可方便扩展。信息集成舱之间以及信息集成舱与岸站设备之间采用光网络进行数据传输，信息集成舱里有电压转换模块和CAN转以太网模块，传感器节点之间以及传感器节点与其所属信息集成舱之间通过CAN总线进行数据传输。

图1 系统整体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the system

每个传感器节点包含电场传感器、磁场传感器及信号采集与处理单元等。本文所要阐述是电磁信号的采集与处理，再通过CAN口将数据处理结果传输到CAN总线电路部分的硬件实现与软件设计。

2 水下电磁场信号采集与处理单元设计［1－2，4－6］

2.1 硬件实现

信号采集与处理单元硬件主要包括信号的采集、DSP处理电路及其外围扩展电路等几部分，该单元采集调理过的稳恒电场(2路)、交变电场(2路)和稳恒磁场(3路)共计7路的电磁场信号，由DSP对电场信号进行功率谱估计，线谱提取，线谱跟踪，最后将计算结果通过其CAN口发往CAN总线并经由信息集成舱传给上位机(前面所讲的岸站设备)，实现系统的远程控制和监测数据的共享。上位机负责显示数据处理的结果，然后对传感器节点中信号采集与处理单元(即对核心控制芯片DSP)发送控制命令，实现对传感器节点工作状态进行控制。下面分别介绍信号采集与处理单元的每部分硬件的实现。

图2 信号采集与处理单元结构框图Fig.2 Schematic diagram of signal collecting and processing unit

1)模拟采集电路设计

由于F2812片上的AD为12位，不能满足系统采集信号精度的要求，所以选取了TI公司生产的多通道24位高性能模数转换器—ADS1278。该芯片将出色的DC精度与AC性能进行了完美结合，实现了低成本集成。它可提供8通道的Δ－Σ同步模数转换器，具有片上线性相位数字滤波器，低采样孔径误差，可满足要求严格的多通道信号采集应用场合。

信号采集电路是硬件设计部分的关键之一，其电路设计的好坏直接影响信号的采集精度。首先是电源设计，AD的模拟电压为5 V，数字电压为1.8 V，IO口电压为3.3 V供电(电路原理图与图4和图5相似，后面将详细介绍)。ADS1278和DSP外围接口的5 V电都设计为相互隔离;ADS1278的模拟地和数字地最终在一点需要连接在一起，这样做可以防止电干扰;其次，本芯片输入设计为差分输入驱动，也可以达到抑制噪声，获得较好的转换效果。

图3为采集电路原理框图。ADS1278的输出可以设为SPI接口通信模式，连接到DSP的SPI串行外设接口。ADS1278的29管脚连接DSP的149管脚。该管脚可以复用为外部中断1，这样就可以完成每次AD转换完毕，触发DSP的外部中断1(XINT1)，进行数据传输，DSP的SPI端口设置为主模式，取数据的时钟由DSP的34管脚(PF02/SPI_CLKA)产生，数据是按 CH1～CH8的顺序从ADS1278的20管脚(DOUT1)传输给DSP的41管脚(PF01/SPI_SOMIA)，每通道字长24位，数据从高位到低位传输，由于通道8为掉电模式，所以在传输时该通道被自动置为0传输出去。

2)DSP的电路设计

①电源电路设计

图3 采集电路原理框图Fig.3 Schematic diagram of collecting circuit

F2812采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3 V，减小了控制器的功耗。本单元中，设置DSP工作在150 MHz的频率下，为了降低芯片的功耗，F2812采用双电源供电的方式，芯片本身的内核电压为1.9 V，外部接口电压为3.3 V，为 GPIO，FLASH，ROM等提供工作电压。图4和图5为电路图。在设计时分开设计+3.3 V电源和+1.9 V电源。该方法优点是2路电源既可防止器件间干扰，又可分开调试，互不干扰，并可以提供较大功率［5］。

②时钟电路

时钟产生电路选择利用内部的晶振，这主要是考虑成本问题，1个晶振和内部振荡需要的一些器件通常比外部振荡器便宜。因此，在本单元没有别的器件需要同样时钟的情况下，利用晶振和内部的振荡电路是最好的选择。其特点是利用芯片的内部振荡电路，输出波形为频率30 MHz的正弦波，波形的幅度由控制器决定，不存在电压匹配问题，2个电容选择晶体生产厂家推荐电容值24 pF，且电容误差小。

③看门狗电路

看门狗电路在实际应用中是必不可少的，由于实际使用环境并非如实验室一样的好，常常有很多干扰因素使得程序跑飞。在设计时，一是在软件上设置软件看门狗，程序跑飞时，使程序跳转到程序开始;二是在硬件上加入看门狗电路。

④CAN接口电路

TMS320F2812处理后的数据需要传输出去，由于其芯片内嵌了增强型的CAN模块，可以很方便地连接到CAN总线上。CAN总线属于现场总线的范畴，它是1种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。这样就可以把本文中带有信号采集及处理模块、CAN接口模块等的多个传感器节点连接到1条CAN总线网络上。此方案与传统的基于RS-485总线的连接方式相比，除了能充分发挥DSP强大的数据实时处理能力和通信功能之外，主要还具有CAN独特的优势［3］:CAN-bus使用 CAN ID区分结点，废除了地址码，并支持网段划分;优秀的实时性能及强大的数据容错功能，支持硬件CRC校验及出错自动重传机制;CAN-bus电气安全性更高，不会存在RS485网络中出现的总线短路情况;通讯距离长，速率快等。

图6 CAN接口电路图Fig.6 Circuit diagram of CAN interface

CAN总线接口芯片选用SN65HVD251，是符合ISO11898标准、专用于CAN总线的串行通信物理层接口IC，它的作用是实现数据差分发送到总线和从总线接收差分数据到DSP的CAN控制器。为了增强抗干扰能力，SN65HVD251单独供电，应用高速的TTL光耦隔离器HCPL063A实现总线与DSP的隔离。由于TMS320F2812DSP是低功耗设计，所有的数字输入都与TTL兼容，所有输出都是3.3 V CMOS电平，HCPL063A的工作电压在5 V，所以需要进行电平转换，我们选用TI公司的10位双向总线转换器SN74CBTD3384。

2.2 DSP软件实现

整个系统的系统信号采集、处理及数据传输程序都在DSP上完成，DSP编程工具采用TI公司的DSP集成开发环境CCS3.3，它支持TI公司C2000全系列的DSP芯片。

DSP程序结构化编程，从系统初始化到算法实现划分成不同的子任务模块，包括各级初始化函数、外部输入函数、算法实现函数以及中断处理函数等，系统根据不同的任务调用不同的子任务模块。程序主体采用C语言。为保证程序运行效率，中断向量表和DSP的初始化程序采用汇编语言编写。

DSP上电后，先调用一系列的初始化子任务模块，具体包括初始化系统控制部分(包括PLL，看门狗以及外设时钟等)、通用目的数字量I/O(GPIO)功能设置、初始化PIE控制寄存器、映射PIE中断向量表、初始化SPI/eCAN/SCI通信设置等;而后启动中断，程序交由中断控制。中断启动外部中断1(XINT)。XINT外部中断用来采集外部芯片AD的数据。主程序只需等待规定的数据长度后，即可进行数据处理，处理后就可以通过CAN将处理结果上传给上位机。

图7 DSP主程序流程图Fig.7 Flow diagram of DSP main program

图7和图8分别为DSP主程序和数据采集的流程图。交变电场功率谱计算积分时间为6 s。首先采集6 s长度的数据，将其送入外部RAM，然后以2 s数据作为步长移动，保证每次计算时间长度为6 s。

图8 数据采集(外部中断1)程序Fig.8 Flow diagram of data acquisition

需要说明的是，每次更新的2 s的DSP采集的外部AD数据是采用乒乓机制存储的。如前所述，从AD过来的数据首先通过SPI通信模式送到DSP的INT1，传输的数据为8位宽度，每个通道数据为24位，共8个通道(只存储前7个通道的有效数据，最后1个通道丢弃)。DSP的最小存储单元为16位宽，所以1个通道的数占用3个存储地址。在传输数据时，每当1个乒乓区(以交变电场X轴信号为例，1个乒乓区长fs*3*2，2 s的数据)满时，就使能DSP的数据处理程序(详见DSP主程序流程图)，而在之后采到的数据存到另1个乒乓区，以防新数据覆盖旧的尚未处理的数据。

还有1个重要部分为在DSP上CAN传输接口软件的实现。TMS320F2812集成了增强型的CAN总线通信接口(eCAN)，它是由1个CAN协议核和1个信息控制器组成。CAN控制器包含传送信息的处理、接收管理和帧存储功能，支持标准帧和扩展帧2种格式。编写CAN传输接口协议时，首先需要初始化DSP的eCAN模块工作状态设置，具体包括相应管脚功能使能、CAN工作时钟开启、设置eCAN为HECC(扩展数据帧格式)、初始化消息控制寄存器、设置CAN通讯速率(由通讯距离决定)、配置位定时参数及初始化发送和接收邮箱参数等。最后使用发送邮箱发送消息，即配置完邮箱将需要发送的数据写到发送邮箱中，等待邮箱相应的发送响应标志位，置位信息标志着消息发送成功。接收消息同发送原理相似。

3 实验结果

基于以上方案研制的信号采集与处理单元在系统原理样机中得到成功应用。在本系统的原理样机中，CAN总线网络中外挂了3个传感器节点，总长为1000 m，通过由Labview编写的岸站显控界面，将3个传感器节点串联在CAN电缆中，进行CAN通信数据验证，3个传感器节点中的DSP由于设置的CAN传输的ID不同，岸站会按照ID优先级排列数据，将电磁信号的特征传输上来，由岸站显控界面发送开始或结束命令。经过多次长时间的数据测试，结果均未出现错误。

4 结语

通过试验测试结果分析，文中介绍的基于TMS320F2812的电磁信号采集与处理单元，能实时地采集和处理传感器的电磁信号，并通过DSP的内嵌CAN模块将处理结果传输给岸站显控台。从而实现了多节点、长距离系统的数据快速可靠传输。鉴于DSP的灵活的编程特性，以及CAN网络的优势，以DSP为核心的信号采集与处理单元的成功研制为开发更多节点、更长距离的系统提供了可行性验证。

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