基于数字信号处理器的数据采集与显示系统

刘松斌 王梦谦

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

基于数字信号处理器的数据采集与显示系统

刘松斌 王梦谦

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

以TMS320F2812芯片为核心处理器，自主设计制作数字信号处理器开发板，实现了对多路模拟信号的采集。提出以CCS与Matlab联合开发方式建立数字信号处理模型对采样数据进行数字滤波分析，最终将采样数据通过数字信号处理器的SPI串行通信接口传输到液晶显示屏实现液晶同步显示。系统测试时，采用信号发生器产生不同幅值与频率的正弦交流信号分别输入到各采样通道进行数据采集。实验表明：系统能实现对被测量数据的精确采集和同步显示，交流模拟量最大采样误差可保证在1%以内。

数字信号处理器 TMS320F2812 数字滤波 SPI 同步显示

随着信息科技的快速发展和自动化设备的广泛应用，数据采集与处理技术越来越多地运用到微机控制系统中[1]。数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)具有灵活性好、精度高、可靠性强及速度快等特点，完全能够符合一般数据采集系统的精度要求。因此，已在工业控制、图像处理等领域得到广泛应用[2]。笔者以32位定点DSP芯片TMS320F2812为核心自主设计制作DSP开发板，集成ADC转换、SPI串行通信等模块，降低了系统的设计和开发成本。通过SPI接口与液晶显示器的串行通信方式完成数据的同步传输，液晶显示器完成数据的动态显示，使系统具有很强的直观性。

1 系统硬件电路设计①

1.1 DSP处理器系统

完整的处理器系统是以TMS320F2812芯片为核心的最小系统。电源产生模块为系统各部分提供稳定的工作电压，保障系统的安全运行。ADC转换模块和SPI串行通信模块分别实现了数据的采集和传输。考虑到DSP的逻辑电压为3.3V，引脚带负载能力较弱，为了增强PWM/GPIO端口的驱动性能，采用74HC245芯片提高其带负载能力[3]。另外，处理器系统中还需要设计合适的复位电路和JTAG下载接口电路。整个系统的结构框图如图1所示。

图1 DSP处理器系统结构框图

1.2ADC转换模块校正

TMS320F2812DSP的ADC转换模块是12位的，理论采样精度很高，但根据工程经验来看，其采样精度只能达到9位，约为0.2%。而且在实际生产应用中，由于受到温度、环境等因素的影响，ADC模块的精度会出现明显的下降，采样值与实际值之间出现较大的误差，甚至达到20%，ADC转换模块误差主要是由增益误差和偏移误差造成的[4]。如图2所示，理想的转换曲线是一条经过原点的以m为增益的直线，而实际的转换曲线的增益为M，偏移量为b，数字输出量y与模拟输入量x之间的关系为y=M×x+b。根据两个坐标数据即可求出未知参数增益M和偏移量b。

图2 ADC模块的转换特性曲线

将通过两路基准电源VREFA和VREFB分别提供给ADC转换模块的两路采样通道ADCINA0和ADCINB0进行ADC转换，两路精准电源分别作为模拟量输入x1和x2，转换结果为数字输出量y1和y2，这样就可以计算出转换曲线的实际增益M和偏移量b：

(1)

基准电压VREFA和VREFB是将稳压电源TL431的输出电压Vout经电阻分压后得到的。根据电路原理(图3)，可以得出：

图3 参考电压生成电路

1.3DSP开发板和液晶显示模块

在原理图的基础上生成PCB图并完成DSP开发板的制作。

系统选用OCMJ8X15D字符型液晶显示屏，通过DSP的SPI串行接口实现数据通信[5]。液晶显示屏要求数据并行输入，需要通过移位器74HC595芯片完成数据的传送。

2 系统软件程序设计

DSP处理器是在CCS软件中进行基本的配置和编程的，需要在此软件下进行环境配置、源程序编辑、源程序链接、源程序调试及运行结果分析等操作[6]。

2.1数字滤波软件

在工业生产应用中，所面临的数据采集对象往往是与电网相匹配的正弦交流信号。采用CCS与Matlab联合开发设计数字滤波器[7]。设置通带截止频率为50Hz，阻带截止频率为100Hz；通带纹波和阻带纹波为0.01dB；调整DSP定时器参数，将采样频率设置为1kHz，利用窗函数法设计FIR滤波器。

Kaiser窗设计如下(设置δ=0.01)：

A=-20log10δ=-20log100.1=40

β=0.5842(40-21)0.4+0.07886(40-21)=3.3953

根据计算所得数据参数在Matlab命令窗口中输入指令：b=firl(30,0.15,’low’,Kaiser(31,3.3953))，即可得出各阶滤波器的参数。设计数字滤波器的幅频和相频特性曲线如图4所示。

图4 滤波器幅频、相频特性

2.2系统主程序

系统主程序设计是对各个功能程序模块的整合[8]。完成系统初始化设置之后进入主函数部分，并在主函数中进入循环，等待中断，中断发生后进入中断处理环节，在此阶段需要DSP完成复杂的数据滤波处理、数据传输和中断复位。图5所示为主程序流程。

图5 系统主程序流程

3 实验验证

在完成系统设计后，笔者以信号发生器作为信号源，产生正弦交流信号输入到DSP采样通道进行数据采样。实验结果如图6所示。

图6 实验结果

实验表明，所设计的数据采集与显示系统能够精确地采集到被测量并实现动态显示。数据采集精度在1%以内。

4 结束语

设计的以TMS320F2812芯片为核心的DSP处理器，凭借其高速数据处理能力，能够完成数据的快速采集、分析处理、同步通信，驱动液晶显示屏完成数据动态显示。自主设计制作驱动控制模块，提高了系统的集成度，降低了设计成本，避免了处理器模块的资源浪费，具有一定的应用价值。

[1] 潘育山，张贵冰.基于DSP的电能质量检测系统设计[J].自动化与仪器仪表，2012，(6)：54～55.

[2] 曹梦婷.基于TMS320F2812的数据采集及数字滤波[D].太原：中北大学，2008.

[3] 艾红，邓大伟，唐斌.基于DSP的智能仪表系统设计[J].化工自动化及仪表，2012，39(1)：99～102.

[4] 顾卫钢.手把手教你学DSP基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[5] 叶军，于霞.基于DSP的液晶显示时钟的设计与实现[J].液晶与显示，2009，24(5)：713～717.

[6] 王宇飞，张勋，丁雪兴.基于频谱分析的离心泵故障诊断[J].化工机械，2015，42(6)：854～856.

[7] 肖春华，李秀红，孙忠富，等.嵌入式无线远程环境监测系统的实现[J].微计算机信息，2007，23(11)：4～6.

[8] 兰吉昌.TMS320F2812DSP应用实例精讲[M].北京：化学工业出版社，2010.

TH862

A

1000-3932(2016)10-1113-03

2016-08-16(修改稿)