袁博 查晨東

摘 要：針對可穿戴裝甲裝備測試設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能需求，提出了一種基于TMS320F28335和ADS8557的無線多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)對炮控36路信號采集，采集數(shù)據(jù)通過藍牙無線傳輸給可穿戴主機，具有多通道、低功耗、便攜性特點。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；DSP；模數(shù)轉(zhuǎn)換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.123

1 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制、設(shè)備監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1]，利用傳感器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、溫度、壓力、速度等多種物理數(shù)據(jù)的測量。DSP又稱為數(shù)字信號處理器，在體積、功耗與性能上都具有良好的性能，常應用于數(shù)據(jù)采集與處理中。本文采用德州儀器生產(chǎn)的TMS320F28335芯片和ADS8557模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計了一種應用于某型坦克炮控系統(tǒng)測試的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)傳輸上面采用MS96SF1藍牙模塊[2]，該模塊支持藍牙4.2協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與可穿戴主機的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 需求分析

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含了測試資源分配，待測信號調(diào)理，信號的AD/DA轉(zhuǎn)換，測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘3]。炮控系統(tǒng)測試資源較多，某型坦克炮控系統(tǒng)包含有炮控箱和操縱臺共有36路AD信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道數(shù)應能滿足測試資源需求。常用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有以下兩種：

（1）同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方法常用于精密儀器控制和高速高精度采樣等場合中，能夠?qū)崿F(xiàn)多路信號的同步采集功能，但難以做到對體積與成本的控制，功耗也相對較大。

（2）分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方法利用一組數(shù)據(jù)線對多通道數(shù)據(jù)進行循環(huán)采集，在同一時間點只有一路信號占用該通道。該方法在數(shù)據(jù)采集速率要求不高的場合具有易于設(shè)計、經(jīng)濟高效的優(yōu)勢。但也存在采集速率不高、無法得到同一時刻的多通道數(shù)據(jù)。

由于實際測試信號對同步采集需求不高，為降低硬件成本，減小數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體積，采用分時復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)36路信號的循環(huán)采樣[4]。

3 硬件電路設(shè)計

現(xiàn)有測試系統(tǒng)主要利用電纜進行數(shù)據(jù)傳輸，適配器與測試部件、適配器與計算機都采用“航插-電纜-航插”的方式進行連接。為滿足可穿戴性需求，從裝甲測試的實際應用層面確立了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件方案，大致可劃分為：DSP及外圍電路、電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、無線通信模塊。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3.1 電源電路設(shè)計

電源電路是系統(tǒng)硬件設(shè)計中最為重要的部分，電源信號的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的運行。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從裝備取26V電，各種器件工作電壓不同，需要對電源進行濾波、穩(wěn)壓和轉(zhuǎn)換等操作。其中ADC芯片需要5V與模擬±15V電源，DSP芯片內(nèi)部需要3.3V與1.9V電源供電，同時為了降低噪聲對模擬信號的干擾，需要將模擬地和數(shù)字地分來。將裝備26V電通過HZD05B系列電源模塊進行電壓轉(zhuǎn)換，該電源模塊額定輸出功率為5W，輸出電壓精度達±1%，具有過流和過壓保護功能。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示：

采用雙輸出低壓差調(diào)壓器TPS767D301芯片將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V和1.9V電源，TPS767D3XX系列雙穩(wěn)壓芯片主要應用于DSP芯片，可用于混合輸出電壓應用，每個穩(wěn)壓器最高可支持1A電流。

3.2 ADC接口電路設(shè)計

ADS8557芯片是TI公司的一款高性能逐次逼近型低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采用64引腳薄型四方扁平式封裝（LQFP），額定工作溫度為-40℃至125℃，具有硬件與軟件兩種工作模式。由于裝備信息采集需要周期性進行，采用硬件工作模式更為方便。ADS8557與F28335接口電路如圖所示：

需要注意的是，ADC內(nèi)部含有模擬信號處理，為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，防止模擬信號與數(shù)字信號互相干擾，需要對ADC與DSP信號接口進行隔離處理。

單片ADS8557具有六個模擬輸入通道，多數(shù)裝備通道信號變化較為緩慢，適合利用多路復用器進行分時采樣，這樣可以極大的減小數(shù)據(jù)采集設(shè)備的體積與成本。該多路復用器具有-40V-55V的過壓保護，先開后合式開關(guān)動作能夠防止通道發(fā)生瞬時短路情況。設(shè)計使用6片ADG508F，多通道分時復用電路結(jié)構(gòu)如圖所示，經(jīng)過信號調(diào)理的45路模擬信號進入多路復用的輸入端，DSP通過A0，A1，A2三個引腳控制多路選通，實現(xiàn)對多通道的分時復用采樣。

3.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

ADS8557模擬通道輸入范圍在±12V，需要進行分壓處理，分壓比例由經(jīng)驗信號值預先確定。為了防止信號異常燒壞器件加入保護電路，一旦輸入信號超過±10V，就從穩(wěn)壓管流走。同時為了提高信號的測量精度和帶負載能力，加入電壓跟隨電路。信號調(diào)理電路如圖5所示：

4 軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括DSP初始化、AD采集、數(shù)據(jù)通信等部分，軟件設(shè)計主要在CCS7.0的集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試完成的。軟件流程圖如圖6所示。

McBSP是TI公司DSP芯片中的多通道緩沖串行數(shù)據(jù)口，具有全雙工雙緩沖數(shù)據(jù)通信特點，支持SPI、I2C、IOM-2等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。由于內(nèi)部具有傳輸時鐘CLKX與幀同步信號FSR，可編程程度較高。需要注意的是SPCR寄存器中的RRDY位表示接受狀態(tài)，RRDY=1表示數(shù)據(jù)接受寄存器已準備好，數(shù)據(jù)發(fā)送后RRDY置0，等待新的數(shù)據(jù)傳入。

5 結(jié)束語

文中針對炮控系統(tǒng)信號采集，設(shè)計了一種可用于可穿戴檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方案通過分時復用擴展了采集通道，壓縮了設(shè)備成本與體積；同時以藍牙無線傳輸代替電纜，滿足了可穿戴測試設(shè)備對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便攜性和易用性的設(shè)計需求。

參考文獻：

[1]吳宏超，劉治紅，吳躍.面向軍工裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].兵工自動化，2017，36（01）：22-27.

[2]郝曉明，李杰，黃玉崗.基于ADS8568的八路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感技術(shù)學報，2016，29（01）：150-154.

[3]楊博，張加宏，李敏等.基于ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015（02）：104-107.

[4]蘇志剛，王翔，郝敬堂.基于時分復用技術(shù)的多源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計，2014，35（10）：3404-3409.

作者簡介：袁博（1993-），男，河南西平人，碩士研究生，主要研究方向：可穿戴技術(shù)。