張文磊，趙洪亮

（山東科技大學(xué) 山東 青島 266590）

超聲波流量計(jì)是近些年來逐漸得到重視的流量測(cè)量儀表，具有無壓力損失、非接觸測(cè)量、適用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣和安裝維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性、易爆和放射性等各種流體介質(zhì)和工況條件[1]。由于采用時(shí)差法進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以數(shù)據(jù)采集電路的速率對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度有至關(guān)重要的影響。傳統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集電路，大部分需要包含F(xiàn)IFO單元及CPLD邏輯控制單元[2-3]，成本較高。

文中以實(shí)時(shí)MCU處理器TMS320F28335為核心，通過外部擴(kuò)展接口Xintf擴(kuò)展高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS805E，并使用DMA高速讀取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種低成本高速數(shù)據(jù)采集電路。TMS320F28335是德州儀器（TI）公司推出的一款高性能數(shù)字信號(hào)處理器，處理能力可達(dá)150MHz，具有32位浮點(diǎn)處理單元，外設(shè)集成度高，包括DMA，PWM，Xintf等，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集及復(fù)雜算法處理[4]。ADS805E是德州儀器（TI）公司推出的一款12位分辨率，流水線型AD轉(zhuǎn)換器。其采樣頻率可達(dá)20 MHz，內(nèi)部集成高帶寬線性采樣保持器，具有高動(dòng)態(tài)范圍，低失真度，高信噪比（SNR）等特點(diǎn)[5]，能夠很好的滿足設(shè)計(jì)需求。

1 硬件總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集電路的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由TMS320F28335核心板與數(shù)據(jù)采集電路接口兩部分組成。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the data acquisition circuit

TMS320F28335核心板配有標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口、電源管理、自啟動(dòng)設(shè)定、復(fù)位和時(shí)鐘等模塊；數(shù)據(jù)采集電路接口主要包括信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、控制電路及數(shù)據(jù)傳輸電路等幾部分組成。

2 數(shù)據(jù)采集電路實(shí)現(xiàn)

圖2給出了F28335和AD轉(zhuǎn)換芯片ADS805E的接口電路圖，該接口電路主要包括兩部分：一部分是控制電路，包括ADS805E工作模式設(shè)置、工作使能及時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)的產(chǎn)生；另一部分是數(shù)據(jù)接口，主要是ADS805E轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的采集傳輸。

2.1 F28335與ADS805E接口控制電路設(shè)計(jì)

ADS805E有內(nèi)部的參考電壓輸出，動(dòng)態(tài)范圍可設(shè)為2Vp-p到5Vp-p，工作使能信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)由F28335提供，這樣不僅能夠充分的利用F28335豐富的GPIO及片上外設(shè)資源，還能降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，縮減設(shè)計(jì)成本。

由圖2給出的接口電路中可以看出，ADS805E的SEL管腳接地，ADC的輸入范圍設(shè)置為0~5 V；VREF管腳和IN_管腳相連，采用內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓2.5 V；VDRV引腳與3.3 V電源相連，提供輸出參考電平[5]；工作使能信號(hào)ADCSn由F28335的GPIO口輸出[6]；ADCLK由F28335的ePWM1產(chǎn)生并通過ePWM1A輸出作為ADA805的時(shí)鐘信號(hào)[7]。

圖2 數(shù)據(jù)采集接口電路Fig.2 Circuit of the data interface

2.2 F28335與ADS805E接口數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

2.3 AD時(shí)鐘信號(hào)及DMA同步信號(hào)產(chǎn)生

經(jīng)過調(diào)理的前端信號(hào)由ADS805E進(jìn)行轉(zhuǎn)換后以并行方式通過引腳進(jìn)行輸出。在本文中，F(xiàn)28335由外部擴(kuò)展接口Xintf連接ADS805E，并由DMA高速讀取AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。DMA配置時(shí)，將BURSTSIZE配置為0，即單字節(jié)方式讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，能夠在保證高速讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的同時(shí)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由圖2中可以看出，B1-B12直接與F28335的Xintf外部擴(kuò)展接口D11-D0相連，由于總線為16位傳輸方式，所以取低12位有效；進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換的同時(shí)，啟動(dòng)DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠保持轉(zhuǎn)換和讀取的同步。

系統(tǒng)中采用F28335的片上外設(shè)ePWM產(chǎn)生AD轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)鐘信號(hào)及DMA的同步信號(hào)。通過配置ePWM由ePWM1A產(chǎn)生占空比為50%且頻率為20MHz的時(shí)鐘作為ADC的采樣頻率；同時(shí)，由EPWM1SOCA產(chǎn)生與AD時(shí)鐘信號(hào)同頻反相的觸發(fā)源，作為DMA傳輸?shù)耐叫盘?hào)。

使用DMA方式讀取AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，不僅能夠有效降低CPU資源消耗，還能夠避免使用中斷的壓棧和出棧耗時(shí)。同時(shí)，通過該方式產(chǎn)生的DMA同步信號(hào)能夠高速準(zhǔn)確的讀取數(shù)據(jù)，而且不再需要外部邏輯控制器件CPLD進(jìn)行同步干預(yù)，有利于降低設(shè)計(jì)成本。

3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)配置及數(shù)據(jù)采集兩部分。系統(tǒng)配置包括以下兩個(gè)部分：一是F28335自身片上外設(shè)的配置，主要包括工作頻率、PLL、定時(shí)器、Xintf、GPIO、ePWM、DMA以及中斷向量表等；二是ADS805E的配置，包括工作模式配置、工作使能以及采樣頻率。數(shù)據(jù)采集部分主要由DMA負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的采集傳輸，CPU只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及順逆流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的切換工作。

圖3 所示為數(shù)據(jù)采集電路的軟件流程圖。首先，系統(tǒng)上電，完成初始化，包括F28335初始化和ADS805E初始化；然后，由GPIO口輸出ADS805E使能信號(hào)，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)啟動(dòng)DMA讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)；當(dāng)順流數(shù)據(jù)讀取完畢后，DMA觸發(fā)中斷，由CPU切換超聲換能器的收發(fā)，再次啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換和DMA，采集逆流數(shù)據(jù)。

圖3 數(shù)據(jù)采集電路的軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the software design of the data acquisition circuit

在整個(gè)工作過程中，DMA與CPU并行工作。DMA主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的搬移。DMA工作的同時(shí)，CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作及順逆流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的切換工作。通過該方式，能夠有效的降低CPU的負(fù)載，同時(shí)提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4 數(shù)據(jù)采集測(cè)試結(jié)果

在該部分，通過采集中心頻率為1 MHz的超聲波信號(hào)回波對(duì)該數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行測(cè)試。通過集成開發(fā)環(huán)境CCS進(jìn)行硬件仿真，在中斷服務(wù)程序中設(shè)置斷點(diǎn)，由CCS的圖形觀察工具Graph觀察采集到的數(shù)據(jù)波形。測(cè)試中，F(xiàn)28335的工作頻率為150 MHz，ADS805E的采樣頻率為20 MHz，顯示緩沖區(qū)的大小為1 k。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 1MHz的超聲波信號(hào)波形Fig.4 Waves of 1MHz ultrasonic signal

圖4 為所采集到的頻率為1 MHz的超聲波信號(hào)波形，包括上半部分的順流信號(hào)波形和下半部分的逆流信號(hào)波形。從圖中可以看出，信號(hào)完整光滑，沒有明顯的突變現(xiàn)象，表明該數(shù)據(jù)采集電路的高性能，并且能夠完整的采集超聲回波波形，滿足超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié) 論

文中針對(duì)超聲波信號(hào)的采集，設(shè)計(jì)了一種低成本的高速數(shù)據(jù)采集電路解決方案。該方案利用F28335較高的片上外設(shè)集成度，省卻了傳統(tǒng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中所需要的FIFO緩沖單元及CPLD邏輯控制單元，壓縮了設(shè)計(jì)成本；同時(shí)，采用DMA高速讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，能夠節(jié)省CPU資源，從而保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該電路最高采樣頻率可達(dá)20 MHz，能夠滿足超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)需求。

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[2]劉士影，吳學(xué)杰，胡志群.基于DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（1）：65－66.LIU Shi-ying，WU Xue-jie，HU Zhi-qun.High-speed data acquisition system based on DSP[J].Industrial Control Computer，2011，24（1）：65－66.

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[4]蘇奎峰，鄧志東.TMS320x28xxx原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]Texas Instruments Incorporated.12－Bit，20MHz Sampling Analog-To-Digital Converter[EB/OL].[2013－03－10].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads805.pdf.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，2823x System Control and Interrupts Reference Guide （Rev.D）[EB/OL].[2013－03－10]http：//www.ti.com/lit/ug/sprufb0d/sprufb0d.pdf.

[7]Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，2823x Enhanced Pulse Width Modulator（ePWM）Reference Guide（Rev.A）[EB/OL].[2013－03－10]http：//www.ti.com/lit/ug/sprug04a/sprug04a.pdf.