葛 亞， 顧金良， 夏 言， 羅紅娥

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

?

基于DSP的二維PSD信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

葛 亞， 顧金良， 夏 言， 羅紅娥

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，設(shè)計(jì)了一種信號(hào)采集裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位置敏感探測(cè)器(PSD)信號(hào)的處理。選用TMS320F2812(簡(jiǎn)稱F2812)作為主處理器，利用F2812內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成對(duì)目標(biāo)信號(hào)的采集工作。經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置坐標(biāo)信號(hào)，最后通過異步串口通信(SCI)傳輸至上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明：裝置具有很高的可靠性，具有高速數(shù)據(jù)采集處理功能。

TMS320F2812; 串行通信; 數(shù)據(jù)采集; 同步采樣

0 引 言

位置敏感探測(cè)器(PSD)是一種基于橫向光電效應(yīng)的對(duì)其光敏面上光電位置敏感的光電位置傳感器[1]，可以直接將作用在其光敏面上的光點(diǎn)位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的非分割、非掃描型位置敏感探測(cè)器件[2]。由于PSD具有響應(yīng)速度快、分辨率高、線性度良好、可連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)，在位置坐標(biāo)的精確測(cè)量、方向探測(cè)、激光準(zhǔn)直等方面，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1]。

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是一種運(yùn)算速度快、處理功能強(qiáng)且內(nèi)存容量大的單片微處理器[3]。F2812內(nèi)部具有12位以及16路的A/D轉(zhuǎn)換模塊。該模塊的時(shí)鐘頻率最高配置為25 MHz,采樣頻率最高12.5 MSPS。利用F2812作為處理器對(duì)PSD信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，開發(fā)周期短。

1 二維PSD的工作原理

當(dāng)激光照射到PSD光敏面上的某點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電極X1，X2，Y1，Y2分別輸出光電流I1，I2，I3，I4，L為PSD光敏面的長(zhǎng)度，通過對(duì)4路電流信號(hào)的采集，可以計(jì)算出入射光對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置。入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)計(jì)算公式[4，5]，如式(1)所示

(1)

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 組成與結(jié)構(gòu)

信號(hào)采集裝置由TMS320F2812、模擬信號(hào)調(diào)理電路、串口通信接口電路組成。PSD輸出的電流信號(hào)，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換放大后，輸入到F2812內(nèi)部的A/D數(shù)據(jù)采集模塊，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到激光光斑的重心在光敏面上的坐標(biāo)位置。最后經(jīng)過異步串口通信，將光斑的坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)顯示在PC界面中。DSP的輸入/輸出電平為TTL電平，即UART串口，這與上位機(jī)的RS—232標(biāo)準(zhǔn)串行接口的電氣規(guī)范不一致，因此，數(shù)據(jù)通信時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換[6，7]，如圖1。

2.2 電源設(shè)計(jì)

F2812對(duì)電源很敏感，當(dāng)輸入電壓超過5V時(shí)，就會(huì)對(duì)DSP造成損害，所以選擇電壓精度比較高的TPS767D301。該芯片輸入電壓為+5 V，正常工作后，能夠產(chǎn)生3.3 V和1.8 V兩種電壓供DSP使用。電源可由外部電源輸入。電源電路如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 DSP工作電源

2.3 模擬信號(hào)的預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

PSD輸出的電流只有μA量級(jí)，而AD模塊的輸入電壓范圍為0～3 V,因此,在設(shè)計(jì)I/V轉(zhuǎn)換電路，選擇運(yùn)算放大器時(shí)，不僅要考慮到放大器的放大倍數(shù)，而且要考慮放大器本身的偏置電流、零漂，減少由元器件帶來的測(cè)量誤差。這里采用4通道放大器OPA4131。OPA4131的供電電壓為±4.5～±18 V，轉(zhuǎn)換速率為10 V/μs，參考電壓2.5 V，具有很低的失調(diào)電壓。

由集成運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”原理：定義放大倍數(shù)為Auo;OPA4131端口2電壓為Vin-，電流為I1;端口3電壓為Vin+;端口1為放大器的輸出端，其輸出電壓為Vout。則有

Vin-=Vin+=0

(2)

Iout=Iin=I1

(3)

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集和處理

采用順序采樣模式，利用事件管理器(EVA),設(shè)定采集頻率,啟動(dòng)ADC模塊進(jìn)行信號(hào)采集[8]。得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果為數(shù)字值，并且存放在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖寄存器里，輸入模擬電平的數(shù)字值為

(4)

式中 ADCLO為A/D轉(zhuǎn)換器低電壓參考值，通常接地。

圖4 A/D初始化、中斷采集數(shù)據(jù)流程

3.2 異步串口通信

DSP和PC進(jìn)行串口通信時(shí)，利用SCIA模塊和SCIB模塊實(shí)現(xiàn)，因此，需要對(duì)其進(jìn)行初始化，通信數(shù)據(jù)格式波特率為19 200，8位數(shù)據(jù)位，無極性校驗(yàn)，1位停止位，選擇空閑線模式。使能SCIA FFIO和SCIB FFIO的發(fā)送中斷和接收中斷。

程序的基本步驟如下:

1)系統(tǒng)控制寄存器初始化，分配時(shí)鐘。

2)AD模塊初始化，設(shè)定單序列發(fā)生器、順序采樣、決定采樣通道的順序。

3)初始化EVA 通用定時(shí)器T1模塊，采樣頻率設(shè)定為10 kHZ,則T1的周期為0.1 ms。

4)GPIO模塊的初始化，將SCI的接收引腳和發(fā)送引腳設(shè)定為功能引腳。

5)SCI模塊初始化，設(shè)定波特率和數(shù)據(jù)位，并且使能SCI FIFO模式。

6)啟動(dòng)定時(shí)器T1計(jì)數(shù)等到中期中斷時(shí)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，進(jìn)入ADC中斷。

7)SCI等待接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收標(biāo)志位置1時(shí)，SCI數(shù)據(jù)寫入接收FIFO。當(dāng)發(fā)送標(biāo)志位置位時(shí)，讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入發(fā)送中斷，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)。

主程序代碼如下:

void main(void) ∥系統(tǒng)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通用定時(shí)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 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

將4路模擬電壓信號(hào)分別輸入到對(duì)應(yīng)的AD模塊的采集通道中，從而得到相應(yīng)的數(shù)字量，繪制出輸入量與輸出量對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線。圖5為PSD沿X軸方向移動(dòng)產(chǎn)生的電壓值與對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的關(guān)系曲線。

圖5 輸入輸出曲線

由式(1)計(jì)算得到入射光斑質(zhì)心的坐標(biāo)，通過異步串口通信，將坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)上。

圖6 光斑坐標(biāo)顯示

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:

1)由于PSD的背景光和暗電流的存在，實(shí)際上采集到的信號(hào)，是有用信號(hào)和干擾信號(hào)的疊加，從而造成了測(cè)量誤差。

2)F2812內(nèi)部的AD模塊存在增益誤差和失調(diào)誤差，但由于AD模塊的轉(zhuǎn)換特性是線性的，因此，可以通過線性校正進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高轉(zhuǎn)換精度。

3)在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由于數(shù)值以數(shù)字量形式存放在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中，將導(dǎo)致小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)字位被舍去，也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集造成誤差。

5 結(jié) 論

基于F2812設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠完成對(duì)輸入PSD模擬電壓信號(hào)的采集，并把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。選用了高性能的DSP芯片，裝置具有體積小、速度快、處理能力強(qiáng)、可靠性高以及功耗低等許多優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)方案可以應(yīng)用于其他各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中[9]。

[1] 史 狄,孫利群.基于TMS320F2812的二維PSD信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(4):35-40.

[2] 徐偉龍,顧金良.基于PSD及激光器的空間基準(zhǔn)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015,23(4):1378-1380.

[3] 楊夢(mèng)雯,李寶明.基于DSP的圖像去霧算法優(yōu)化方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(6):136-138.

[4] 唐九耀,黃梅珍.二維PSD的結(jié)構(gòu)和性能分析[J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2000,6(3):301-304.

[5] 陳繼華,張基明,呂運(yùn)朋.基于PSD的準(zhǔn)直激光線位置檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2012,31(10):8-11.

[6] 左麗霞,鄧芳芳,盧 山.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].繼電器,2010,38(13):108-112.

[7] 高利兵.基于TMS320F2812的信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油儀器,2010,24(6): 69-70,73.

[8] 肖棟林,吳 賓.基于雙通道異步采樣的震動(dòng)傳感器測(cè)量方法[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(1):146-147.

[9] 徐 佩.高性能DSP芯片TMS320F2812應(yīng)用技術(shù)研究[J].航空計(jì)算技術(shù),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 亞(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)試與計(jì)量，E—mail:415742879@qq.com。