基于DSP的ADC采样校正与显示系统①

姜建国 赵 宇

(东北石油大学电气信息工程学院)

基于DSP的ADC采样校正与显示系统①

姜建国 赵 宇

(东北石油大学电气信息工程学院)

为了实现传统DSP的ADC采集校正与显示功能，设计了DSPF2812开发板和参考电压电路，通过为ADC采样通道提供两路精准的参考电压，消除了DSP采样时系统本身存在的误差和漂移。对温度和湿度采样信号进行限幅数字滤波，通过OCMJ8×15D液晶进行温湿度显示，实现人机交互。实验调试结果表明：校正后采样值与实际值的误差不超过0.3%，而且系统运行稳定，弥补了传统单纯采用DSP在ADC采集方面的不足。

ADC采样校正与显示 DSP 误差 限幅数字滤波 参考电压

数字信号处理芯片DSPF2812具有12位ADC模块，其精度基本满足工程需求。但是根据实际工程经验，一般ADC模块的采样精度比理论值少3位，导致采样值和实际值之间的相对误差最大时会超过15%，给测量带来极大的不便。为此，笔者设计了一个基于DSP的ADC采样校正与显示系统，为传统DSP采样提供两路精准参考电压，通过硬件校准和软件滤波方式实现对温湿度信号的采集与显示，使系统操作方便，并提高工作稳定性。

1 系统总体设计

基于DSP的ADC采样校正与显示系统结构框图如图1所示。该系统通过传感器对周围环境的温度和湿度进行采集，通过OPA188隔离处理和A/D采样校正环节后，有效地补偿了由转换特性引起的增益和偏移误差；通过自主设计的DSP2812进行软件数字滤波处理，以进一步提高检测精度，减小由外界波动引起的测量偏差，最后在液晶屏上显示检测到的温湿度值，实现人机交互。

图1 系统结构框图

2 硬件部分

2.1 DSP核心处理器

基于DSP的ADC采样校正与显示系统的核心部分是自主设计的DSP开发板，它一改传统的冯·诺依曼结构，采用先进的哈佛总线结构，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法；采用C/C++编写程序，软件效率高，具有优秀的可编程性，实时系统运行速度可达到每秒钟数以千万行复杂的指令和程序，远超过其他通用微处理器[1,2]。

2.2 精准参考电压电路

为了提高采样精度，对ADC校正之前需要提供两路精准的参考电压给ADC模块任意两个采样通道，这样通过转换两路已知的信号就可以求出DSP在转换过程中本身存在的增益系数和偏移量，然后利用这两个参数即可校正ADC其他采样通道。三端稳压管TL431是一个具有良好热稳定性的三端可调分流基准源，通过调节电阻可以设置参考电压Vref(范围为2.5～36.0V)。具体电路如图2所示。

图2 精准参考电压电路

输出电压Vout为：

(1)

将输入电压Vin=5V、R1=2kΩ、R2=10kΩ代入式(1)，可得：

两个参考电压Vrefa、Vrefb的计算值：

将Vrefa、Vrefb作为DSP2812ADC模块的精准参考电压，得到ADC模块校正曲线(图3)。

图3 ADC模块校正曲线

模拟输入量X与数字输出量Y的关系为：

理想型Y=mi×X

实际型Y=ma×X+b

利用获得的参考电压可得方程组：

(2)

转换后得：

(3)

这样，只要知道数字输出量Y，就可以求得实际的模拟输入量X：

X=(Y-b)/ma

(4)

3 软件部分

代码调试器(Code Composer Studio，CCS)是一种针对标准STM32调试接口的集成开发环境，采用Windows风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及实时跟踪等功能于一体，极大地方便了DSP芯片的开发与设计，是目前使用最为广泛的DSP开发软件之一[3,4]。

3.1 数字滤波

在微机控制系统的模拟输入信号中，一般含有来自被测信号源本身、传感器或外界的各种噪声和干扰。为了实现准确的测量和控制，必须消除被测信号中的噪声和干扰。与传统滤波方法相比，数字滤波是通过软件实现的，不需要增加额外设备，具有成本低、可靠性高、多通道共享及更改参数灵活等优点，不存在阻抗匹配问题，因此笔者采用数字滤波方法。

由于温度和湿度信号变化比较缓慢，故采用限幅滤波方法。把两次相邻的采样值相减求出其增量(以绝对值表示)，然后与两次采样允许的最大差值(由被控对象的实际情况决定)ΔY进行比较，若不大于ΔY，则取本次采样值；若大于ΔY，则取上次采样值作为本次采样值。即：

(5)

其中，ΔY=0.1。

3.2 液晶显示

系统液晶模块选用的是中文集成模块显示屏OCMJ8×15D，它采用3.3V电压驱动，不需要直流电源，使得整个系统更加简洁[5～7]。可接收标准中文文字内码而不需要进入绘图模式，以绘图方式扫描中文可以节省许多微处理器时间，提升液晶显示中文数字的效率[8,9]。通过插入DSP软件延时的方法来实现DSP与液晶显示的匹配，使硬件结构得以简化。在中断处理中进行采样数据的转换、校准及滤波等。具体流程如图4所示。

图4 液晶显示流程

4 实验结果

完成系统设计后，通过温湿度传感器对温度和湿度两路信号进行采集(图5)，在DSP内部进行ADC采样校正和数字滤波处理，当数值超出预设范围时将启动报警系统，最后在液晶屏上对处理后的温湿度信息进行显示。运行调试结果表明，该系统结构简单、运行稳定、造价便宜，适用于工农业领域。

图5 ADC采样显示窗口

5 结束语

笔者设计了一个基于DSP的ADC采样校正与显示系统。利用自主设计的高速DSP来控制低速液晶显示，从而实现对室内温湿度的实时监测，通过调试，消除了DSP采样时系统本身存在的误差和漂移，校正后，采样值与实际值误差不超过0.3%。该系统设计成本低，软硬件设计简单，运行可靠，开发周期短，可扩展性强，弥补了传统的单纯采用DSP进行ADC采集的不足，特别适用于对温湿度要求较高的工农业领域，具有一定的实用价值。

[1] 彭建盛.基于Symbian平台智能家居控制系统的设计与实现[J].天津师范大学学报(自然科学版),2011,31(2):55～58.

[2] 周润景,刘晓霞,韩丁,等.传感器与检测技术[M].北京:电子工业出版社,2012.

[3] 张雄伟,陈亮,徐光辉,等.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社,2003.

[4] 苏涛,蔡建隆,何学辉.DSP接口电路设计与编程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.

[5] 马庆勇,吴中明.基于单片机的多功能时钟控制电路[J].电子科技,2009,22(3):56～59.

[6] 张天保,谢运祥,莫莉,等.基于DSP的液晶显示若干问题的探讨[J].电子设计工程,2007,(6):68～71.

[7] 黄树毅,程汉湘,荆怀成,等.TMS320F2812与液晶显示模块的接口电路及其程序设计[J].液晶与显示,2009,24(5):698～703.

[8] 莫莉,董万福,喻洪平,等.基于TMS320F2812的液晶显示模块接口设计[J].计算机测量与控制,2009,17(2):407～409.

[9] 侯清娜,张新宇,王峥,等.基于DSP的LCD模块设计及其在设备状态监测系统中的应用[J].液晶与显示,2009,24(1):110～115.

TemperatureandHumiditySamplingCalibrationandDisplaySystemBasedonDSPandADC

JIANG Jian-guo, ZHAO Yu

(CollegeofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity)

In order to achieve DSP’s functions of ADC sampling correction and display, both DSPF2812 development board and reference voltage circuit were designed independently; through providing ADC sampling channels with two-way precision reference voltage, both sampling error and drift of the DSP were eliminated, including having the limited digital filtering applied to the temperature and humidity sampling signals and the temperature and humidity displayed via a OCMJ8×15D LCD so as to realize human-computer interaction.

TH862+.7

B

1000-3932(2017)08-0747-04

2017-02-27)

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黑龙江省自然科学基金项目(E2016013)。

姜建国(1966-)，教授，从事电力系统自动化的研究。

联系人赵宇(1992-)，硕士研究生，从事电力电子与电力传动的研究，1045090829@qq.com。