DSP和AD9244的多路数据采集系统

赵发定，周正义，穆帅欢，阳 路

（西南石油大学 电气信息工程学院，四川 成都610500）

由于DSP芯片具有先进的并行结构，使其在信号处理和数据采集领域得到了越来越广泛的应用[1]。TI公司的DSP芯片TMS320F2812具有模拟量转换为数字量的ADC采样模块，理论上采样精度为12位，在实际使用中采样精度为9位或10位[2]。AD9244是ANALOGDEVICES公司生产的14位高速高精度模数转换器，其主要特点是体积小、功耗低、精度高，主要应用于通信系统、医疗、高端成像设备、超声波设备，利用AD9244作为DSP的外扩模数转换芯片，提高了数据采集的精度。

1 芯片介绍

TMS320F2812是TI公司生产的面向数字控制、运动控制领域的DSP芯片，它支持多项的高速实时算法，采用先进的哈佛结构，将程序和数据放在不同的存储空间。TMS320F2812芯片采用了高性能的CMOS技术，CPU主频高达150 MHz，时钟周期为6.67 ns，采用低功耗设计，内核电压为1.8 V，数字I/O口引脚电压为3.3 V。同时TMS320F2812的片内外设资源丰富，模拟量转换为数字量的ADC采样模块理论精度为12位。AD9244是ADI公司生产的14位高速高精度模拟转换器。它具有750 MHz的输入带宽，最高允许抽样速率达到65 MHz。体积小、功耗低、精度高[3]，专门应用于峰峰值小于2 V的模拟信号转换。AD9244内部使用多级差分电路结构，并带有自动纠错的逻辑电路，可以在65 MS/s的输入数据速率下保证14 bit的精度。此外，该器件还具有很宽的工作温度范围，可以在-40℃～+85℃的温度范围内正常工作。AD9244的14位数字输出信号可以表示为直接二进制的形式，也可以是二进制补码的形式。AD7501是ADI公司生产的八通道多路模拟器，可以选择8路信号中的一路信号送至公共输出端，其输入引脚的选择根据状态引脚的3个二进制地址和1个输入使能引脚的电平决定，AD7501功能主要是将多路模拟信号分别送至A/D转换器进行转换。AD7501的开关时间为：ton=0.8μs，toff=0.8μs[3]。

2 系统整体结构及硬件设计

2.1 数据采集系统整体结构

数据采集系统的主要功能是对8路峰峰值小于2 V的小信号数据进行采集，14位采集精度，DSP对数据进行读取并处理。该系统整体结构图如图1所示，整个系统由模拟开关电路、高精度A/D转换电路、DSP芯片、DSP附属电路及外围控制电路、执行电路组成。

图1 系统整体结构图

多路模拟信号选择处理电路由模拟开关和DSP组成，其主要功能是对多路模拟信号进行处理，使多路模拟信号经过模拟开关选择后，依次进入A/D转换器进行模数转换。A/D模数转换电路主要是将模拟开关送来的信号进行模数转换，把转换的结果送至DSP芯片进行处理。DSP附属电路及外围控制电路保证DSP正常工作。执行单元主要是接收DSP采集的多路数据，并利用数据进行多种控制。

2.2 数据采集系统硬件电路设计

模拟开关选用AD7501是有译码器的模拟开关，有8路数据输入，1路数据输出，其输入通道由通道选择引脚A0、A1、A2和使能引脚EN确定，任意时刻只能有一路数据输入通过多路开关[4]。其真值表如表1所示。

表1 真值表

AD7501的通道选择引脚和使能引脚与DSP的数据线连接，通过DSP选择模拟信号进入A/D转换器进行模数转换。相应的硬件转换电路框图如图2所示。

图2 硬件转换电路框图

高精度A/D选择的AD9244是14位高速高精度A/D转换器。它专门应用于峰峰值小于2 V的小信号数据的模数转换，其最高允许采样速率达到65 MHz，电源可以由+5 V的模拟电源供电，也可以在+3 V或+5 V的数字电压下供电，在5 V供电电压和65 MS/s的输入数据速率下，该器件的功耗为590 mW。AD9244的输出允许管脚（OED）接地，AD9244的输出驱动器就会激活，并输出转换后的数字信号，电压溢出指示管脚（OTR）与DSP相连接，用于检测输入电压是否超过A/D转换的电源范围，输出数据形式选择管脚（DFS）直接和数字地相接，使AD9244输出数据形式为二进制，AD9244的数据线与DSP数据总线相连，AD9244的时钟信号引脚（CLK+）和DSP相连接，时钟引脚（CLK-）通过一个0.1μF的电容与地相连，时钟信号由DSP提供。由于AD9244是完全依靠外加的时钟来抽样，时钟信号的质量对ADC的性能影响尤为重要。必须使时钟的上升沿尽可能的快，并且尽可能减小抖动[5]。AD9244的参考电压采用外部参考电压。相应的A/D转换硬件电路框图如图3所示。

图3 硬件电路框图

TMS320F2812为低功耗器件，内核电压为1.8 V，I/O口电压为3.3 V，Flash编程电压为3.3 V，一般外围提供的电压为5 V，而系统的1.8 V和3.3 V需要转换芯片对5V电压进行转换。系统选用TPS767D301，TPS767D301是TI公司推新推出的双路低压差电源调整器，主要应用在需要双电源供电的DSP设计中。TPS767D301带有可单独供电的双路输出，一路固定输出电压为3.3 V，另一路输出电压可以调节，范围为1.5 V～5.5 V，通过外接一个电阻取样网络来得到TMS320F2812内核需要的1.8V电压。设计时外部提供纯净+5 V电源输入，在经过一个铁氧体磁珠L1进行滤波后进入电源芯片[6]，其电路如图4所示。

图4 电源电路

3 程序设计和软件仿真

程序设计使用C语言编写源程序，首先对系统进行初始化，分别初始化DSP和DSP的通用定时器T1、AD9244、AD7501。首先使能AD7501，并选通第1路模拟信号进行模数转换，同时把转换的结果送入DSP，并启动定时器T0，定时器时间根据需要设置，本文设置为0.01ms，当定时器达到0.01 ms时产生中断，改变AD7501的信号选择引脚的地址，让另外1路信号输入进行模数转换，同时启动定时器，这样循环往复实现8路数据的采集，其系统流程图如图5所示。

图5 系统流程图

软件仿真采用TI公司DSP开发环境CCS3.3（Code Composer Studio）软件。连接硬件仿真系统，目标板上电，启动CCS3.3软件，对C语言源程序进行导入，编译。

目前在工业控制领域，多路数据采集系统的应用非常广泛。本文介绍的多路数据采集系统是在TMS320F2812芯片的基础上设计的，其硬件连接比较简单，模数转换器采用外扩模数转换器AD9244。实验结果表明，该系统比采用DSP内部模数转换器精度高，可以对流量、温度、压力、密封差压、各点振动位移、催化剂含尘量等多种小信号数据进行采集。该系统降低了硬件设计的成本和时间，具有灵活、高速、可靠、多路数据采集等优点，可广泛应用于各种智能仪表、自动化控制设备。

[1]赖武刚，郭勇，詹鹏.基于DSP和MAX147的多路数据采集系统[J].微计算机信息，2007，23（8-2）：182-183.

[2]顾卫刚.手把手教你学DSP[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3]杜洋，李宝森.14位高精度高速AD转换器AD9244[J].国外电子元器件，2003（10）：35-37.

[4]李兴山，杨继红.多通道数据采集装置的研制[J].内肛科技，2006（7）：137-137.

[5]李宝森，杜洋.高速高精度模数转换器AD9244在软件无线电中的应用[J].电子器件，2009，29（2）：539-542.

[6]贾凯，郑春晖，陈为廉.基于TMS320F2812的双电源供电电路设计实现[J].电子工程师，2008，34（9）：27-29.