王 濤，傅錚翔，俞鵬先，田 旭

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214062；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機械與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種利用半導(dǎo)體集成電路和數(shù)字信號處理技術(shù)等電子技術(shù)制作的互聯(lián)控制器已廣泛應(yīng)用于交通運輸、生物醫(yī)療、航空航天、工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域[1-4]，因此對數(shù)據(jù)采集和輸出信號的通道數(shù)、精度等方面的要求越來越高[5-8]。一些輸入輸出通道數(shù)較少、采樣和輸出精度較低的互聯(lián)控制器已無法滿足實際工作的需求[6-13]。

基于上述需求，該文設(shè)計了一種基于TMS320 F28335 的多通道、高精度互聯(lián)控制器。該控制器利用恒流源驅(qū)動壓電式加速度傳感器采集振動量，振動信號經(jīng)過調(diào)理電路后輸入給兩片ADC 芯片ADS8586S 進行12 路模擬量采集。DSP 通過XINTF總線讀取ADC 采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，并對采樣的振動信號進行數(shù)據(jù)處理。處理分析后，DSP 通過SPI 接口控制一片DAC 芯片DAC8718 輸出6 路模擬信號驅(qū)動后級電路。

對該文設(shè)計的互聯(lián)控制器進行了測試驗證，測試結(jié)果表明，設(shè)計的4 mA 恒流源能驅(qū)動傳感器正常采集振動量信號，設(shè)計的低通濾波器對高于350 Hz的信號濾波效果較好，ADS8586S 采樣、DAC8718 輸出、數(shù)據(jù)的存儲和收發(fā)等功能均正常，12 路ADC 采集通道的輸入電壓范圍為±5 V，6 路DAC 輸出通道的電壓范圍為±10 V，采集和輸出信號偏差均在5‰以內(nèi)。

1 控制器系統(tǒng)方案

多通道互聯(lián)控制器硬件主要包括電源、低通濾波、信號調(diào)理、ADC 采集和DAC 輸出等部分，控制器系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

控制器通過恒流源給12 路壓電式加速度傳感器供電，傳感器獲取振動量后將其轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，經(jīng)過二階無源低通濾波和信號調(diào)理電路后，輸入給ADC 芯片ADS8586S 進行模擬量采集。采用型號為TI TMS320F28335 的DSP 作為控制核心，通過XINTF 總線讀取ADC 芯片采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，并對采樣的振動量信號進行數(shù)據(jù)處理。處理分析后，DSP 通 過SPI 接口控 制DAC 芯 片DAC8718，DAC 輸出相應(yīng)的模擬信號驅(qū)動后級電路。

控制器的主要性能指標(biāo)見表1。該控制器具有如下特點：1）采用兩片ADC 芯片ADS8586S 和一片DAC 芯片DAC8718，實現(xiàn)多通道、高精度的數(shù)據(jù)采集和電壓輸出；2）DSP 通過XINTF 接口與ADS8586S 的數(shù)據(jù)輸出引腳直接相連，通過SPI 接口與DAC8718的串行數(shù)據(jù)輸入輸出引腳相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

表1 主要性能指標(biāo)

2 硬件設(shè)計

2.1 電源設(shè)計

多通道互聯(lián)控制器電源設(shè)計框圖如圖2 所示，首先通過AC/DC 模塊電源LDE10-20B24 將220 V/50 Hz 的交流電壓轉(zhuǎn)換成24 V 的直流電壓，24 V 電壓通過Buck 變換器TPS54202 分別降壓為7 V 和5 V的直流電壓；24 V 作為可編程電流源LT3092 的輸入，產(chǎn)生4 mA 的恒流輸出給壓電式加速度傳感器供電。

圖2 電源設(shè)計框圖

1）7 V 一路經(jīng) 過REF5050 產(chǎn) 生5 V 電壓作 為DAC8718 的基準電壓，一路經(jīng)過穩(wěn)壓器AMS1117 產(chǎn)生5 V 電壓給ADS8586S 供電。

2）5 V 一路經(jīng)過Boost 變換器TPS65130 分別產(chǎn)生15 V 的正輸出和-15 V 的負輸出電壓，15 V 電壓經(jīng)過穩(wěn)壓器TPS7A49 產(chǎn)生12 V 電壓，-15 V 電壓經(jīng)過TPS7A3401 產(chǎn)生-12 V 電 壓，分別 給DAC8718 的模擬電源AVDD和AVSS以及運放供電；一路通過穩(wěn)壓器TPS74401 產(chǎn)生1.9 V 電壓給DSP28335 內(nèi)核供電；一路通過穩(wěn)壓器TPS74401 產(chǎn)生3.3 V 電壓，給ADS8586S、DAC8718 的數(shù)字部分以及DSP28335 的IO 端口供電。

2.2 信號處理電路設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC的前級電路設(shè)計是非常重要的，需要對輸入信號進行濾波、限幅、放大或衰減等預(yù)處理操作[14-16]。信號處理電路如圖3所示，傳感器獲取振動信號后通過內(nèi)置電路將其轉(zhuǎn)換為電壓信號Ui輸出，Ui首先經(jīng)過電容C1隔直，去除Ui信號中的直流成分，得到交流信號U1。電阻R2、R3和電容C2、C3組成二階無源低通濾波器，用于濾除信號中的高頻分量，交流信號U1經(jīng)過低通濾波后，得到頻率小于350 Hz的低頻信號U2。信號U2經(jīng)過運放OP07 比例放大后得到輸出電壓Uo，Uo作為ADS8586S采樣的輸入電壓。

2.3 ADC和DAC電路設(shè)計

ADC 芯片選用TI 公司的ADS8586S，該芯片具有6 個同步采樣通道，分辨率為16 位，每通道的最大采樣速率為250 ks/s，內(nèi)置了可編程增益放大器、輸入鉗位等模擬前端，提供單極性電源就可以實現(xiàn)雙極性電壓輸入，ADS8586S 與DSP 的硬件連接如圖4 所示。與DSP 之間的接口主要有片選CS、BUSY、復(fù)位RESET、輸入范圍選擇RANGE以及轉(zhuǎn)換開始CONVST等接口。

圖4 ADS8586S連接圖

將ADS8586S 芯片的PAR/SER 和BYTE SEL 引腳接地，選擇并行模式進行數(shù)據(jù)傳輸，DB0-DB15 引腳 與DSP28335 的D0-D15 相 連，DSP 通 過XINTF 總線讀數(shù)據(jù)；將REFSEL 引腳上拉，參考電壓選擇內(nèi)部的2.5 V 帶隙基準源，2.5 V 電壓通過REFOUT 引腳輸出；將CONVSTA 和CONVSTB 連接在一起，保證所有通道同步采樣。

DAC 芯片選用TI 公司的DAC8718，該芯片具有8 個16 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，DAC8718 與DSP 的硬件連接如圖5 所示。與DSP 之間的接口主要有寄存器復(fù)位RST、清除CLR、數(shù)據(jù)鎖存LDAC、喚醒WAKEUP以及四線SPI 等接口。

圖5 DAC8718連接圖

將DAC8718 芯片SPI 接口的SDI、SDO、SCLK、CS 四個引腳與DSP28335 的GPIO54-57 相連，進行SPI 通信；REF5050 產(chǎn)生5 V 電壓給REFA 和REFB，作為基準電壓輸入；將USB/BTC 引腳上拉至IOVDD，DAC 輸入數(shù)字量采用二進制補碼格式；GPIO0-2 引腳上拉至IOVDD，避免IOVDD電源電流過大。

2.4 主控電路設(shè)計

互聯(lián)控制器采用TI C2000 系列DSP 芯片TMS320F28335 作為控制核心，該芯片采用哈佛總線架構(gòu)，內(nèi)部集成了88 個GPIO、一個SPI、三個SCI 接口等外設(shè)資源，外部接口XINTF 可用于擴展SRAM、FLASH、ADC、DAC 模塊等。

DSP 通過XINTF 總線接口讀取ADC 芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，進行數(shù)據(jù)處理后，將處理后的結(jié)果保存在片外存儲器中。通過SPI接口控制DAC8718輸出相應(yīng)的模擬信號，通過SCI接口與上位機進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 軟件實現(xiàn)

DSP28335 輸入時鐘信號由30 MHz 有源晶振提供，30 MHz 信號經(jīng)DSP 內(nèi)部鎖相環(huán)（Phase Locked Loop,PLL）模塊倍頻后，得到150 MHz 的系統(tǒng)頻率。DSP 軟件工作流程如圖6 所示。

圖6 軟件流程圖

DSP 主程序中首先對SCI、SPI、GPIO、XINTF 總線、中斷模塊等進行初始化操作。將SCI 波特率配置為9 600 b/s、8 個數(shù)據(jù)位、1 個停止位、偶校驗，SPI配置為主模式、SPICLK 為9.375 MHz、8 個數(shù)據(jù)位。然后配 置ADS8586S 和DAC8718，DSP 給ADC 芯 片RANGE 引腳輸入高電平，配置ADC 所有通道輸入電壓范圍為±10 V。DAC8718 初始化操作包括復(fù)位所有DAC 數(shù)據(jù)和控制寄存器，控制所有Vout引腳輸出0 V 并禁用SPI 通信等。DSP 接收到ADC 采樣結(jié)果后，對采樣的振動量信號進行數(shù)據(jù)處理。處理分析后，將數(shù)據(jù)保存在片外存儲器中，并上傳至上位機。最后，DSP 控制DAC8718 輸出相應(yīng)的模擬信號驅(qū)動后級電路。

AD 采集程序通過定時器中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，該程序定時200 μs 進行ADC 轉(zhuǎn)換操作，給CONVST 信號輸入上升沿脈沖后，ADC 啟動同步轉(zhuǎn)換。BUSY 信號為高電平時表示轉(zhuǎn)換正在進行，BUSY 變?yōu)榈碗娖奖硎巨D(zhuǎn)換結(jié)束。當(dāng)DSP 檢測到BUSY 拉低后，利用標(biāo)準的CS 和RD 信號通過XINTF 并行數(shù)據(jù)總線讀取所有ADC 通道的采樣結(jié)果，部分ADC 軟件代碼如下：

4 測試驗證與結(jié)果分析

為了驗證所提硬件電路和軟件代碼設(shè)計的正確性，研制了一臺基于TMS320F28335 的多通道互聯(lián)控制器，并對互聯(lián)控制器進行了如下測試驗證。

4.1 低通濾波器測試

利用信號發(fā)生器分別產(chǎn)生低于350 Hz 和高于350 Hz 的正弦波信號，作為模擬信號輸入。利用示波器實時測量濾波前后的信號波形，測量結(jié)果表明，高于350 Hz 的正弦波信號經(jīng)過低通濾波后，信號幅值出現(xiàn)衰減，且頻率越高衰減越大；低于350 Hz 的正弦波信號經(jīng)過低通濾波后，輸出波形與輸入一致，驗證了該文所設(shè)計低通濾波器的正確性。

4.2 數(shù)據(jù)采集和電壓輸出測試

將上述信號發(fā)生器產(chǎn)生的低于350 Hz 正弦波信號輸入給ADS8586S 進行模擬量采集，并改變輸入信號的幅值[17-18]。DSP28335 讀取采樣結(jié)果后，將其還原為模擬電壓值，與ADC 輸入端口的電壓測量值進行對比，部分對比結(jié)果見表2。

表2 ADC采樣對比結(jié)果

在DSP 軟件中將0～0xFFFF 范圍內(nèi)的不同數(shù)值寫入DAC8718 輸入數(shù)據(jù)寄存器，理論輸出的模擬電壓值=輸入值的二進制補碼×15÷32 768，與測量的輸出電壓值進行對比，部分對比結(jié)果見表3。

表3 DAC輸出對比結(jié)果

從表2 和表3 可以看出，ADS8586S 采樣以及DAC8718 輸出功能均正常，且ADS8586S 所有通道的輸入電壓范圍、精度等指標(biāo)以及DAC8718 所有通道的輸出電壓范圍、精度等指標(biāo)均滿足表1 所示的主要性能指標(biāo)要求，采集和輸出信號偏差均在5‰以內(nèi)。與常見的數(shù)據(jù)采集和電壓輸出控制器相比，所設(shè)計互聯(lián)控制器輸入輸出通道數(shù)較多、采樣和輸出精度較高，驗證了所設(shè)計ADC和DAC電路的正確性。

4.3 恒流源和調(diào)理電路測試

利用設(shè)計的4 mA 恒流源驅(qū)動壓電式加速度傳感器可以正常采集實際的振動量信號，振動信號經(jīng)過調(diào)理電路后，去除了直流成分，濾除了信號中的高頻分量，信號幅值比例放大了相應(yīng)的倍數(shù)，驗證了該文所設(shè)計恒流激勵和信號調(diào)理電路的正確性。

5 結(jié)論

針對當(dāng)前一些互聯(lián)控制器輸入輸出通道數(shù)較少、數(shù)據(jù)采集和輸出精度較低的問題，該文設(shè)計了一種基于TMS320F28335 的多通道、高精度互聯(lián)控制器。該控制器利用恒流源驅(qū)動壓電式加速度傳感器采集振動量，振動信號經(jīng)調(diào)理電路后輸入給兩片ADC 芯片ADS8586S 進行12 路模擬量采 集。DSP 通過XINTF 總線讀取ADC 芯片采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，并對采樣的振動信號進行數(shù)據(jù)處理分析。處理分析后，DSP 通過SPI 接口控制一片DAC 芯片DAC8718輸出6 路模擬信號驅(qū)動后級電路。

對所設(shè)計的互聯(lián)控制器進行了測試驗證，測試結(jié)果表明，設(shè)計的4 mA 恒流源能驅(qū)動傳感器正常采集振動量信號，設(shè)計的低通濾波器對高于350 Hz 的信號濾波效果較好，ADS8586S 采樣、DAC8718 輸出、數(shù)據(jù)的存儲和收發(fā)等功能均正常，12 路ADC 采集通道的輸入電壓范圍為±5 V，6 路DAC 輸出通道的電壓范圍為±10 V，采集和輸出信號偏差均在5‰以內(nèi)。與常見的數(shù)據(jù)采集和電壓輸出控制器相比，所設(shè)計互聯(lián)控制器輸入輸出通道數(shù)較多、采樣和輸出精度較高，驗證了設(shè)計方案的優(yōu)越性。

所設(shè)計的多通道、高精度互聯(lián)控制器具有較強的工程應(yīng)用價值，可以實際應(yīng)用在各種數(shù)據(jù)采集和輸出系統(tǒng)中。