基于DSP系统的高速数据采集系统设计

崔阳　雷军刚　李世勋　高青松

摘 要： 高速数据采集技术广泛应用于各类工业控制及航空、航天领域。为了实现星载有效载荷的高速数据采集，选用了以Ti公司DSP芯片SMJ320C6415为控制器、AD公司的高速模数转换器AD9269的设计方案，同时对数据采集系统的主要技术指标、抗混叠滤波器设计进行了详细的描述。采用该设计方案的有效载荷数据采集系统具有测量精度高、采集速度快、可扩展性好及可靠性高的的优点，对各类高速数据采集系统的设计具有重要的指导意义。

关键词： DSP； 数据采集； 噪声滤波器； 功率谱密度

中图分类号： TN713?34； TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0059?04

Abstract： The high?speed data acquisition technology is widely used in various industrial control， aviation and aerospace fields. To realize the high?speed data acquisition of the satellite?borne payload， the design scheme taking SMJ320C6415 made by TI as the controller and high?speed chip AD9269 made by AD as the A/D converter was selected. The main technical indexes of the data acquisition system and anti?aliasing filter design are described in detail. The payload data acquisition system adopted by this design scheme has the advantages of high measurement accuracy， high?speed acquisition， good scalability and high reliability， which has important guiding significance for designing the various high?speed data acquisition systems.

Keywords： DSP； data acquisition； noise filter； power spectral density

0 引 言

随着科学技术的进步，数据采集技术广泛应用于人类生活的各个领域，如工业控制、航空航天、家电等。一般而言，数据采集系统由传感器和数据采集单元构成，其中传感器用于将被测量（一般为非电量）转换为电压或电流信号（如温度、加速度传感器等），数据采集单元完成电压或电流信号的采集（将模量转换为数字量）、处理和存储。采集结果以数字量的形式存储，便于数据的后续分析和应用。本文以某星载有效载荷为例，选用Ti公司的高速数字信号处理器（DSP）TMS320C6415为数据采集和控制单元，AD公司的高速模/数转换器AD9269为转换芯片，研制了适合于卫星在轨应用的有效载荷的数据采集系统。文中对数据采集系统的主要技术指标及其主要影响因素进行了分析，并详细设计了对应的硬件电路，并对数据处理方法进行了说明。

1 主要技术指标说明

一般而言，数据采集系统主要技术指标涉及测量带宽、测量精度（噪声）及动态范围。

测量带宽：测量带宽用于表征仪器设备的频率探测能力。根据一般工程应用经验，测量带宽指数据采集系统频响曲线中-3 dB带宽。根据有效载荷任务需求，测量带宽为3 MHz（-3 dB）。

测量精度（噪声）：按GJB2715A?2009《军事计量通用术语》定义，“测量精度”其定义为“引起相应示值产生可察觉到的变化的被测量值的最小变化” 。对于一般工程应用而言，测量精度在时域以“分辨率”指标约束，频域以“功率谱密度”指标进行约束。根据有效载荷任务需求，时域测量精度为35 μV（DC～16 Hz），频域为1 μV/Hz1/2（功率谱密度，6 Hz～3 MHz）。

动态范围：按GJB2715A?2009定义，动态范围指系统能够测量/检测的最大值与最小值之比。根据有效载荷任务需求，动态范围为90 dB。

2 系统构成

主要模块介绍如下所述：

（1） 滤波模块。滤波模块的主要部分滤波电路，其功能为抗混叠和对高频噪声进行衰减，以满足精度和动态范围需求。根据一般工程应用，滤波电路有3种：低通滤波、高通滤波和带通滤波。图2为滤波器抗混叠原理。依据采样定律，数据采集时以采样速率的整倍数对所有频率的模拟信号进行采集，如果不设计抗混叠滤波器，则带外高频信号会以镜频的方式出现在测量带宽内；

（2） 模/数变换模块。模/数变换模块主要有模/数变换器及外围电路，完成对模拟信号的量化。模/数转换器主要指标为转换速率及数据宽度，分别与测量带宽、测量精度和动态范围相关；

（3） 控制单元。控制单元主要为数字控制系统，完成模/数转换器的控制、转换结果的读取和存储以及数据处理等功能；

（4） 通信接口模块。通信接口模块主要完成测量结果的传输。目前，星载有效载荷数据传输总线接口主要有RS 422，CAN，1553B等。

3 噪声指标分析及分配

4 主要设计方案

4.1 滤波模块

选用有源模拟低通滤波器的方案实现抗混叠和高频噪声抑制功能。常见的低通滤波器形式有：临界阻尼，Bessel，Butterworth，Chebyshev，Cauer等。这几种类型的滤波器分别具有以下优缺点：

（1） Cauer滤波器的过渡带衰减最陡，然而由于它在阻带上有固定波动，通带外幅频曲线的积分不见得小，因而对滤除高频杂波，防止频率混淆，并不最为有利；

（2） 临界阻尼滤波器对方波的阶跃响应完全没有过冲，但过渡带衰减最缓慢，这对防止频率混叠非常不利；

（3） Chebyshev滤波器在通带内具有纹波，但过渡带衰减最快；

（4） Butterworth滤波器衰减较慢，通带内平坦。

综合几种滤波器的特点，一般工程上选用Chebyshev和Butterworth模拟滤波器。Chebyshev型滤波器过渡带衰减较快，因此需要的滤波器阶数较少，但在通带内具有纹波，对测量精度会产生影响；相反，Butterworth型滤波器通带内平坦，但过渡带衰减较慢，因此需要较多的阶数才能完成高频噪声抑制功能。因此选用Butterworth型模拟低通滤波器方案。滤波器频响如图3所示。

滤波器噪声与运放噪声（电压噪声和电流噪声）和电阻热噪声相关。滤波器频响除了与滤波器类型、阶数相关外，还与运算放大器的带宽增益积、压摆率等指标相关。综合噪声与频响特性，选用运算放大器OP249构成Butterworth型低通滤波器。

4.2 模/数变换模块

模/数变换模块实现模数量化功能，主要设计约束为测量带宽、噪声指标要求。

测量带宽要求为DC～3 MHz，由采样定律可知，最小采样速率为测量带宽的2倍，即为6 MHz。设计时考虑到模/数转换器的额定参数（降额），要求其最快转换速率不小于10 MHz。选用AD公司的AD9269系列模/数转换器。其具体分为AD9269?20，AD9269?40，AD9269?65，AD9269?80，共计4种型号，分别对应最高采样速率为20 MHz，40 MHz，65 MHz，80 MHz。本系统选用AD9269?20即可满足需求（4种型号所有接口完全兼容，可便于设计扩展）。

模/数转换器AD9269具有如下技术特点：

（1） AD9269采用1.8 V单模拟电源供电，而数字输出驱动器采用独立的电源供电，以适应1.8～3.3 V系列的逻辑电平；

（2） 采样保持电路在最高80 MHz的输入频率下仍保持出色的性能，而且成本低、功耗低、易于使用；

（3） AD9269模/数转换器以输入主时钟为准，即输入主时钟频率为其采样速率。此接口便于控制和实现（尤其在高速系统中）。

为了消除共模噪声，AD9269模拟输入端采用差分方式。单端?差分变换可通过变压器、差分放大器等方式实现，考虑到变压器对低频段信号不能响应，因此设计选用差分放大器，以实现单端?差分信号的转换。

作为高速模/数转换器，AD9269的输入转换时钟对转换结果和性能指标的影响尤为关键。因此，设计通过隔离、差分的方式实现转换时钟的输入，可对转换时钟前端与AD9269之间实现隔离，并消除了时钟的共模干扰，最大限度的提高了AD9269的性能。

AD9269设计采样频率为10 MHz，按照式（2）噪声估算结果约为0.1 μV/Hz1/2，满足噪声指标分配要求。

4.3 控制模块

控制模块主要完成系统的控制、模/数转换结果的读取、存储、处理及传输。

设计选用高速数字信号处理器（DSP）的方案实现数据的采集、处理和传输功能。目前，高速DSP主流为Ti公司的C6000系列产品，其最高主频可达几GHz。针对数据采集需求及处理需求，选用TMS320C6415高速、高性能DSP作为数据采集系统的控制器，TMS320C6415主要性能指标见表1。

可以看出，TMS320C6415最高指令速度可达600 MHz，考虑到频率降额，设计主频为480 MHz（降额因子为0.8）。同时，TMS320C6415具有功耗小的特点，适合于对功耗限制较多的领域应用。星载有效载荷由于在轨由太阳能电池帆板供电，其供电能力有限，因此TMS320C6415非常适合于空间应用。

两组数据总线EMIFA口和EMIFB口，其中EMIFB口用于程序存储和装载，EMIFA用于与模/数变换器AD9269输出数据总线连接。由于TMS320C6415的EMIFA口为64 b的数据宽度，因此可同时连接3路AD9269。

TMS320C6415包含3个全双工的串行接口（多功能串行接口，Mcbsp），因此设计利用串行总线输出数据采集结果（电平标准为RS 422）。

TMS320C6415具备强大的数据处理能力，因此在其内部进行数据采集结果的FFT（频域数据）运算，待FFT运算结果完成后输出。

5 测试结果及分析

测试方法及测试结果如下所述：

分辨率：以10 MHz采样速率输出时域原始数据，样本长度为4 096点。通过数字滤波器（Origin或Matlab软件）将其滤波至16 Hz频带以内，计算4 096点数据的标准差，其结果作为DC～16 Hz频带内的分辨率指标。具体测试结果31 μV（DC～16 Hz），满足指标指标需求。

噪声（功率谱密度）：TMS320C6415以4 096点为样本长度进行数据采集并进行FFT计算（窗函数为功率谱），以数据采集系统输出的功率谱密度数据作为噪声的指标。具体测试结果如图4所示。

由图4可以看出，噪声（功率谱密度）测试结果中除2.001 95 MHz频点外，其余均符合设计要求。

2.001 95 MHz噪点原因分析：由图4可以看出，2.001 95 MHz频点教其他频点幅度较大（约20 dB，相当于Q值较高），一般模拟电路中很少存在此类噪声频点。经过分析和验证，此噪声点是由于数据采集系统中CAN总线驱动器（用于指令输入）用晶振频率为16 MHz，利用滤波器抗混叠（如图2）见原理，其在采样频率2次旁瓣的镜频点为2 MHz。测试时如将CAN总线驱动器去除（16 MHz晶振不起振），则测试结果中不出现2.001 95 MHz噪点。

6 结 语

本文基于DSP系统的高数数据采集系统设计，选用的Ti公司的高速信号处理器TMS320C6415，模/数转换器选用AD公司的AD9269，实现了数据的高速采集和处理。该设计已在某星载有效载荷中成功应用，应用结果表明：该系统具有测量精度高、性能稳定的特点，可应用于各类星载有效载荷的数据采集系统设计。

参考文献

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