基于DSP的二维PSD信号采集装置设计

葛 亚， 顾金良， 夏 言， 罗红娥

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)



基于DSP的二维PSD信号采集装置设计

葛 亚， 顾金良， 夏 言， 罗红娥

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)

基于数字信号处理器(DSP)，设计了一种信号采集装置，实现了对位置敏感探测器(PSD)信号的处理。选用TMS320F2812(简称F2812)作为主处理器，利用F2812内部的A/D转换模块，完成对目标信号的采集工作。经过数字信号处理，将数字信号转换为位置坐标信号，最后通过异步串口通信(SCI)传输至上位机。实验证明：装置具有很高的可靠性，具有高速数据采集处理功能。

TMS320F2812; 串行通信; 数据采集; 同步采样

0 引 言

位置敏感探测器(PSD)是一种基于横向光电效应的对其光敏面上光电位置敏感的光电位置传感器[1]，可以直接将作用在其光敏面上的光点位置信号转换成与其相对应的电信号的非分割、非扫描型位置敏感探测器件[2]。由于PSD具有响应速度快、分辨率高、线性度良好、可连续测量等特点，在位置坐标的精确测量、方向探测、激光准直等方面，具有广泛的应用价值[1]。

数字信号处理器(DSP)是一种运算速度快、处理功能强且内存容量大的单片微处理器[3]。F2812内部具有12位以及16路的A/D转换模块。该模块的时钟频率最高配置为25 MHz,采样频率最高12.5 MSPS。利用F2812作为处理器对PSD信号进行数据采集和处理，可以使结构设计简单，成本低，开发周期短。

1 二维PSD的工作原理

当激光照射到PSD光敏面上的某点时，对应的输出电极X1，X2，Y1，Y2分别输出光电流I1，I2，I3，I4，L为PSD光敏面的长度，通过对4路电流信号的采集，可以计算出入射光对应的坐标位置。入射光点的位置坐标计算公式[4，5]，如式(1)所示

(1)

2 数据采集系统的硬件设计

2.1 组成与结构

信号采集装置由TMS320F2812、模拟信号调理电路、串口通信接口电路组成。PSD输出的电流信号，经过I/V转换放大后，输入到F2812内部的A/D数据采集模块，A/D转换器将模拟信号转换成数字电压信号，再通过数据处理，计算得到激光光斑的重心在光敏面上的坐标位置。最后经过异步串口通信，将光斑的坐标位置实时显示在PC界面中。DSP的输入/输出电平为TTL电平，即UART串口，这与上位机的RS—232标准串行接口的电气规范不一致，因此，数据通信时必须进行电平转换[6，7]，如图1。

2.2 电源设计

F2812对电源很敏感，当输入电压超过5V时，就会对DSP造成损害，所以选择电压精度比较高的TPS767D301。该芯片输入电压为+5 V，正常工作后，能够产生3.3 V和1.8 V两种电压供DSP使用。电源可由外部电源输入。电源电路如图2所示。

图1 系统结构框图

图2 DSP工作电源

2.3 模拟信号的预处理电路设计

PSD输出的电流只有μA量级，而AD模块的输入电压范围为0～3 V,因此,在设计I/V转换电路，选择运算放大器时，不仅要考虑到放大器的放大倍数，而且要考虑放大器本身的偏置电流、零漂，减少由元器件带来的测量误差。这里采用4通道放大器OPA4131。OPA4131的供电电压为±4.5～±18 V，转换速率为10 V/μs，参考电压2.5 V，具有很低的失调电压。

由集成运算放大器的“虚短”和“虚断”原理：定义放大倍数为Auo;OPA4131端口2电压为Vin-，电流为I1;端口3电压为Vin+;端口1为放大器的输出端，其输出电压为Vout。则有

Vin-=Vin+=0

(2)

Iout=Iin=I1

(3)

3 数据采集系统的软件设计

3.1 数据采集和处理

采用顺序采样模式，利用事件管理器(EVA),设定采集频率,启动ADC模块进行信号采集[8]。得到的转换结果为数字值，并且存放在ADC转换结果缓冲寄存器里，输入模拟电平的数字值为

(4)

式中 ADCLO为A/D转换器低电压参考值，通常接地。

图4 A/D初始化、中断采集数据流程

3.2 异步串口通信

DSP和PC进行串口通信时，利用SCIA模块和SCIB模块实现，因此，需要对其进行初始化，通信数据格式波特率为19 200，8位数据位，无极性校验，1位停止位，选择空闲线模式。使能SCIA FFIO和SCIB FFIO的发送中断和接收中断。

程序的基本步骤如下:

1)系统控制寄存器初始化，分配时钟。

2)AD模块初始化，设定单序列发生器、顺序采样、决定采样通道的顺序。

3)初始化EVA 通用定时器T1模块，采样频率设定为10 kHZ,则T1的周期为0.1 ms。

4)GPIO模块的初始化，将SCI的接收引脚和发送引脚设定为功能引脚。

5)SCI模块初始化，设定波特率和数据位，并且使能SCI FIFO模式。

6)启动定时器T1计数等到中期中断时启动ADC转换，进入ADC中断。

7)SCI等待接收数据，当接收标志位置1时，SCI数据写入接收FIFO。当发送标志位置位时，读取FIFO中的数据，然后进入发送中断，将数据传输到PC机。

主程序代码如下:

void main(void) ∥系统初始化

{

intm,n;

InitSysCtrl();

DINT;

IER=0x0000;

IFR=0x0000;

InitPieCtrl();

InitPieVectTable();

InitGpio();

InitPeripherals();

for(m=0;m<2;m++)

{

for(n=0;n<8;n++)

{buffer[m][n]=0;}

}

adclo=0；flag=0;

send_flaga=0;send_flagb=0;

PieCtrl.PIEIER1.bit.INTx6=1;

PieCtrl.PIEIER2.bit.INTx4=1;

EINT;ERTM;

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1;

for(;;)

{}

}

voidInitEv(void) ∥初始化EVA通用定时器T1

{

EvaRegs.T1CON.all=0x1100;

EvaRegs.GPTCONA.bit.T1TOADC=2;

EvaRegs.EVAIMRA.bit.T1PINT=1;

EvaRegs.EVAIFRA.bit.T1PINT=1;EvaRegs.T1PR=0XEA5;

EvaRegs.T1CNT=0;

}

voidInitGpio(void) ∥GPIO初始化

{

EALLOW;

GpioMuxRegs.GPFMUX.all=0x0030;

GpioMuxRegs.GPGMUX.all=0x0030;

EDIS;

}

voidInitSci(void) ∥SCI初始化

{

SciaRegs.SCICCR.all=0x07;

SciaRegs.SCICTL1.all=0x02;

SciaRegs.SCIHBAUD=0;

SciaRegs.SCILBAUD=0xF3;

SciaRegs.SCICTL2.all=0x02;

SciaRegs.SCIFFTX.all=0x6020;

SciaRegs.SCIFFCT.bit.FFTXDLY=4;

SciaRegs.SCIFFRX.all=0x6068;

SciaRegs.SCICTL1.bit.SWRESET=1;

}

4 实验与数据分析

将4路模拟电压信号分别输入到对应的AD模块的采集通道中，从而得到相应的数字量，绘制出输入量与输出量对应的函数曲线。图5为PSD沿X轴方向移动产生的电压值与对应的数字量的关系曲线。

图5 输入输出曲线

由式(1)计算得到入射光斑质心的坐标，通过异步串口通信，将坐标实时显示在PC机上。

图6 光斑坐标显示

实验数据分析:

1)由于PSD的背景光和暗电流的存在，实际上采集到的信号，是有用信号和干扰信号的叠加，从而造成了测量误差。

2)F2812内部的AD模块存在增益误差和失调误差，但由于AD模块的转换特性是线性的，因此，可以通过线性校正进行补偿，从而提高转换精度。

3)在A/D转换结束后，由于数值以数字量形式存放在相应的结果寄存器中，将导致小数点后面的数字位被舍去，也会对实验数据的采集造成误差。

5 结 论

基于F2812设计的数据采集系统，能够完成对输入PSD模拟电压信号的采集，并把采集的数据发送给上位机。选用了高性能的DSP芯片，装置具有体积小、速度快、处理能力强、可靠性高以及功耗低等许多优点。设计方案可以应用于其他各种数据采集系统中[9]。

[1] 史 狄,孙利群.基于TMS320F2812的二维PSD信号处理系统的设计[J].仪表技术与传感器,2013(4):35-40.

[2] 徐伟龙,顾金良.基于PSD及激光器的空间基准系统研究[J].计算机测量与控制，2015,23(4):1378-1380.

[3] 杨梦雯,李宝明.基于DSP的图像去雾算法优化方法[J].传感器与微系统,2016,35(6):136-138.

[4] 唐九耀,黄梅珍.二维PSD的结构和性能分析[J].功能材料与器件学报,2000,6(3):301-304.

[5] 陈继华,张基明,吕运朋.基于PSD的准直激光线位置检测装置设计[J].测控技术,2012,31(10):8-11.

[6] 左丽霞,邓芳芳,卢 山.基于DSP的高速数据采集系统设计与实现[J].继电器,2010,38(13):108-112.

[7] 高利兵.基于TMS320F2812的信号处理系统的设计[J].石油仪器,2010,24(6): 69-70,73.

[8] 肖栋林,吴 宾.基于双通道异步采样的震动传感器测量方法[J].传感器与微系统,2016,35(1):146-147.

[9] 徐 佩.高性能DSP芯片TMS320F2812应用技术研究[J].航空计算技术,2007,37(5):86-88.

Design of 2D PSD signal acquisition device based on DSP

GE Ya， GU Jin-liang， XIA Yan， LUO Hong-e

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094,China)

Based on digital signal processor(DSP),a signal acquisition system is designed which implement PSD signal processing.Choose TMS320F2812(hereinafter referred to as F2812)as the main processor,which use F2812 internal ADC conversion module,complete target signal acquisition.Through digital signal processing,convert digital signals to position coordinates signals.Asynchronous serial port communication(SCI)is used to transmit to a PC.Through experiment,it is proved that this device has high reliability,and has function of high speed data acquisition and processing.

TMS320F2812； serial communication； data acquisition； simultaneous sampling

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0086—03

2016—07—18

TP 202

A

1000—9787(2017)07—0086—03

葛 亚(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为测试与计量，E—mail:415742879@qq.com。