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        16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集中的電路設(shè)計(jì)

        2019-03-30 03:30:00張笑彰高博男
        中國(guó)新通信 2019年24期
        關(guān)鍵詞:聲發(fā)射電路設(shè)計(jì)

        張笑彰 高博男

        【摘要】? ? 針對(duì)煤巖聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求,采用定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509A設(shè)計(jì)具有24位分辨率的數(shù)據(jù)采集電路,控制接口采用12C接口擴(kuò)展I/O方式實(shí)現(xiàn),以幀同步方式實(shí)現(xiàn),采用菊花鏈方式級(jí)聯(lián),數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡(jiǎn)單,低功耗等特點(diǎn),應(yīng)用于研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)中。

        【關(guān)鍵詞】? ? DSP? ? 聲發(fā)射? ? 電路設(shè)計(jì)

        煤巖聲發(fā)射檢測(cè)是公認(rèn)的有發(fā)展前途的連續(xù)預(yù)測(cè)煤礦動(dòng)力災(zāi)害的方法,國(guó)內(nèi)已有多套國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)投運(yùn),煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié),要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動(dòng)態(tài)范圍,國(guó)內(nèi)已有多家單位進(jìn)行相關(guān)研究工作,熊慶國(guó)等研制出便于攜帶的單聲通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)儀,周鳳星等設(shè)計(jì)出能同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號(hào)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)集站。王繼強(qiáng)等分別設(shè)計(jì)了8通道的微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著處理器的性能不斷改善,更多通道的煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集成為可能。TMS320VC5509A是一款低功耗,16位定點(diǎn)DSP處理器,具有豐富的外設(shè),ADS1278的一款工業(yè)級(jí)的24文分辨率同步A/D轉(zhuǎn)換器,采樣率最高達(dá)144ksps,實(shí)現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集,本文以TMS320VC5509A為核心,擴(kuò)展了2片AD1278,實(shí)現(xiàn)16通道同步數(shù)據(jù)采集。

        一、數(shù)據(jù)采集電路原理

        數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)工作原理是,TMS320VC5509A首先完成自身資源的配置,通過I2C總線配置I/O狀態(tài),準(zhǔn)備工作完成后VC5509A發(fā)出同步轉(zhuǎn)換脈沖,傳感器采集煤巖聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后送入ADS1278進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)送入VC5509A的McBSP端口。

        由數(shù)據(jù)采集電路原理可知,VC5509A接口是設(shè)計(jì)的核心,接口電路按功能分為控制與數(shù)據(jù)接口,控制接口用于設(shè)置ADS1278工作模式。數(shù)據(jù)接口用于傳輸ADS1278采集數(shù)據(jù)。

        二、數(shù)據(jù)采集電路硬件實(shí)現(xiàn)

        ADS1278工作模式與通道使能是通過引腳設(shè)定,每篇需設(shè)置引腳14個(gè)。如I/O口完成配置會(huì)造成很大的資源浪費(fèi),通過I2C控制器掛載兩片PCA935完成配置。

        3位撥碼開關(guān)用于設(shè)置PCA955的I2C地址,MODE用于設(shè)置工作模式,CLKDIV用于設(shè)置時(shí)鐘是否減半,對(duì)應(yīng)的I/O口寫入低電平時(shí),指示燈電量。觀察配置是否成功。

        ADS1278轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)以串行方式通過引腳輸出,通過VC5509A的McBSP外設(shè)接口接受轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),支持SPI與幀同步協(xié)議,幀同步模式擁有更快的傳輸速度。VC5509A與ADS1278采用幀同步協(xié)議數(shù)據(jù)接口電路,以菊花鏈方式級(jí)聯(lián),DOUT1連接到U2的DIN輸入,連到VC5509A的DRI引腳,U2和U3擁有相同的SCLK,F(xiàn)SYNC控制信號(hào)。

        穩(wěn)定的電源是實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集的必要保障,數(shù)據(jù)采集電路包含ADS1278的1.8V內(nèi)核電源等典型電源,5V模擬電源通過LM7805線性穩(wěn)壓得到,1.8V數(shù)字電源通過高電源抑制比電源芯片TPS73018獲得?;鶞?zhǔn)電路在高精度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)中非常重要,會(huì)直接影響采集電路的精度,采用低噪聲,高精度的電壓基準(zhǔn)芯片為ADS1278提供參考電壓,在將基準(zhǔn)信號(hào)送入ADS1278前添加一級(jí)調(diào)理電路阻抗匹配,使REF5025輸出性能達(dá)到最佳。

        三、數(shù)據(jù)采集地層軟件實(shí)現(xiàn)

        數(shù)據(jù)采集電路地層軟件實(shí)現(xiàn)包括配置與數(shù)據(jù)采集,配置分為對(duì)VC5509A初始化,包括CSL庫(kù),GPIO,定時(shí)器,DMA等,對(duì)ADS1278參數(shù)的設(shè)置包括通道開啟情況等,數(shù)據(jù)采集工作主要由DMA完成,CPU僅負(fù)責(zé)緩沖區(qū)等操作。

        系統(tǒng)上電后首先完成初始化工作,進(jìn)入中斷等待狀態(tài),由DMA采集數(shù)據(jù),DMA存滿緩沖區(qū)后觸發(fā)中斷。CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作返回等待下次中斷。DMA與CPU并行工作,DMA專門負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),CPU負(fù)責(zé)切換緩沖區(qū),CPU與DMS操作不同的緩沖區(qū),CPU處理緩沖區(qū)1數(shù)據(jù)。DMA與CPU實(shí)現(xiàn)乒乓切換操作,使DSP發(fā)揮最佳性能。

        數(shù)據(jù)采集電路通道多,選取兩組典型通道測(cè)試同一信號(hào),通過Graph工具調(diào)取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)顯示采集信號(hào)波形,測(cè)試中設(shè)置ADS1278采樣頻率為9375Hz,橫坐標(biāo)為換算后的時(shí)間信息,縱坐標(biāo)為A/D的實(shí)際數(shù)值。圖中測(cè)試信號(hào)頻率為100Hz,兩通道采集信號(hào)波形一致,說明兩通道采樣同步性,通道3信號(hào)頻率為200Hz,通道9信號(hào)頻率為300Hz,通道9信號(hào)頻率為通道3 的1.5倍,說明通道采集不同信號(hào)正確性。兩圖中信號(hào)連續(xù)光滑,說明采集電路的高性能。

        結(jié)語:本文針對(duì)煤巖聲發(fā)射信號(hào)采集提出大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集電路解決方案,實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)同步采集,可靈活開啟各通道等,采用數(shù)據(jù)采集電路方案,實(shí)現(xiàn)更多通道數(shù)據(jù)同步采集,數(shù)據(jù)采集電路可擴(kuò)展通道數(shù)會(huì)受到工作模式的制約。

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