姜建國(guó) 趙 宇

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)①

姜建國(guó) 趙 宇

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院)

為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)DSP的ADC采集校正與顯示功能，設(shè)計(jì)了DSPF2812開(kāi)發(fā)板和參考電壓電路，通過(guò)為ADC采樣通道提供兩路精準(zhǔn)的參考電壓，消除了DSP采樣時(shí)系統(tǒng)本身存在的誤差和漂移。對(duì)溫度和濕度采樣信號(hào)進(jìn)行限幅數(shù)字濾波，通過(guò)OCMJ8×15D液晶進(jìn)行溫濕度顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明：校正后采樣值與實(shí)際值的誤差不超過(guò)0.3%，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單純采用DSP在ADC采集方面的不足。

ADC采樣校正與顯示 DSP 誤差 限幅數(shù)字濾波 參考電壓

數(shù)字信號(hào)處理芯片DSPF2812具有12位ADC模塊，其精度基本滿足工程需求。但是根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般ADC模塊的采樣精度比理論值少3位，導(dǎo)致采樣值和實(shí)際值之間的相對(duì)誤差最大時(shí)會(huì)超過(guò)15%，給測(cè)量帶來(lái)極大的不便。為此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)，為傳統(tǒng)DSP采樣提供兩路精準(zhǔn)參考電壓，通過(guò)硬件校準(zhǔn)和軟件濾波方式實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度信號(hào)的采集與顯示，使系統(tǒng)操作方便，并提高工作穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)周?chē)h(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行采集，通過(guò)OPA188隔離處理和A/D采樣校正環(huán)節(jié)后，有效地補(bǔ)償了由轉(zhuǎn)換特性引起的增益和偏移誤差；通過(guò)自主設(shè)計(jì)的DSP2812進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理，以進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，減小由外界波動(dòng)引起的測(cè)量偏差，最后在液晶屏上顯示檢測(cè)到的溫濕度值，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件部分

2.1 DSP核心處理器

基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)的核心部分是自主設(shè)計(jì)的DSP開(kāi)發(fā)板，它一改傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法；采用C/C++編寫(xiě)程序，軟件效率高，具有優(yōu)秀的可編程性，實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行速度可達(dá)到每秒鐘數(shù)以千萬(wàn)行復(fù)雜的指令和程序，遠(yuǎn)超過(guò)其他通用微處理器[1,2]。

2.2 精準(zhǔn)參考電壓電路

為了提高采樣精度，對(duì)ADC校正之前需要提供兩路精準(zhǔn)的參考電壓給ADC模塊任意兩個(gè)采樣通道，這樣通過(guò)轉(zhuǎn)換兩路已知的信號(hào)就可以求出DSP在轉(zhuǎn)換過(guò)程中本身存在的增益系數(shù)和偏移量，然后利用這兩個(gè)參數(shù)即可校正ADC其他采樣通道。三端穩(wěn)壓管TL431是一個(gè)具有良好熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻可以設(shè)置參考電壓Vref(范圍為2.5～36.0V)。具體電路如圖2所示。

圖2 精準(zhǔn)參考電壓電路

輸出電壓Vout為：

(1)

將輸入電壓Vin=5V、R1=2kΩ、R2=10kΩ代入式(1)，可得：

兩個(gè)參考電壓Vrefa、Vrefb的計(jì)算值：

將Vrefa、Vrefb作為DSP2812ADC模塊的精準(zhǔn)參考電壓，得到ADC模塊校正曲線(圖3)。

圖3 ADC模塊校正曲線

模擬輸入量X與數(shù)字輸出量Y的關(guān)系為：

理想型Y=mi×X

實(shí)際型Y=ma×X+b

利用獲得的參考電壓可得方程組：

(2)

轉(zhuǎn)換后得：

(3)

這樣，只要知道數(shù)字輸出量Y，就可以求得實(shí)際的模擬輸入量X：

X=(Y-b)/ma

(4)

3 軟件部分

代碼調(diào)試器(Code Composer Studio，CCS)是一種針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)STM32調(diào)試接口的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Windows風(fēng)格界面，集編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調(diào)試及實(shí)時(shí)跟蹤等功能于一體，極大地方便了DSP芯片的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，是目前使用最為廣泛的DSP開(kāi)發(fā)軟件之一[3,4]。

3.1 數(shù)字濾波

在微機(jī)控制系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中，一般含有來(lái)自被測(cè)信號(hào)源本身、傳感器或外界的各種噪聲和干擾。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量和控制，必須消除被測(cè)信號(hào)中的噪聲和干擾。與傳統(tǒng)濾波方法相比，數(shù)字濾波是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，不需要增加額外設(shè)備，具有成本低、可靠性高、多通道共享及更改參數(shù)靈活等優(yōu)點(diǎn)，不存在阻抗匹配問(wèn)題，因此筆者采用數(shù)字濾波方法。

由于溫度和濕度信號(hào)變化比較緩慢，故采用限幅濾波方法。把兩次相鄰的采樣值相減求出其增量(以絕對(duì)值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定)ΔY進(jìn)行比較，若不大于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則取上次采樣值作為本次采樣值。即：

(5)

其中，ΔY=0.1。

3.2 液晶顯示

系統(tǒng)液晶模塊選用的是中文集成模塊顯示屏OCMJ8×15D，它采用3.3V電壓驅(qū)動(dòng)，不需要直流電源，使得整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔[5～7]。可接收標(biāo)準(zhǔn)中文文字內(nèi)碼而不需要進(jìn)入繪圖模式，以繪圖方式掃描中文可以節(jié)省許多微處理器時(shí)間，提升液晶顯示中文數(shù)字的效率[8,9]。通過(guò)插入DSP軟件延時(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與液晶顯示的匹配，使硬件結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。在中斷處理中進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)及濾波等。具體流程如圖4所示。

圖4 液晶顯示流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)溫度和濕度兩路信號(hào)進(jìn)行采集(圖5)，在DSP內(nèi)部進(jìn)行ADC采樣校正和數(shù)字濾波處理，當(dāng)數(shù)值超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)將啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，最后在液晶屏上對(duì)處理后的溫濕度信息進(jìn)行顯示。運(yùn)行調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、造價(jià)便宜，適用于工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

圖5 ADC采樣顯示窗口

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP的ADC采樣校正與顯示系統(tǒng)。利用自主設(shè)計(jì)的高速DSP來(lái)控制低速液晶顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)調(diào)試，消除了DSP采樣時(shí)系統(tǒng)本身存在的誤差和漂移，校正后，采樣值與實(shí)際值誤差不超過(guò)0.3%。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，軟硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，開(kāi)發(fā)周期短，可擴(kuò)展性強(qiáng)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的單純采用DSP進(jìn)行ADC采集的不足，特別適用于對(duì)溫濕度要求較高的工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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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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黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016013)。

姜建國(guó)(1966-)，教授，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化的研究。

聯(lián)系人趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究，1045090829@qq.com。