基于TMSF數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于TMS320F2812數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)劉娜，王豐（中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京100176）摘要：本文提出了基于DSP內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的軟硬件設(shè)計(jì)，并且介紹了如何通過(guò)有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)FIR濾波器對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而提供了一種可靠有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：DSP；ADC模塊；數(shù)據(jù)處理；FIR濾波器；中文圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：The Design of Data Acquisition System Based on TMS320F2812 LIU Na，WANG Feng（The 45th Research Institute of CETC,Beijing

2、 100176,China）Abstract: This paper presented the hardware and software design of the DSP's internal  ADC module, and introduced the finite length unit impulse response FIR filter for complex data processing, thus providing

3、0;an effective and reliable data acquisition system design methodology.Keywords: DSP；ADC module；Data Processing；FIR filter；數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是數(shù)字信號(hào)處理與超大規(guī)模集成電路技術(shù)融合的結(jié)晶。目前，該技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、通信、圖像處理、頻譜分析、電機(jī)控制等領(lǐng)域，在推進(jìn)信息處理數(shù)字化方面發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。數(shù)據(jù)采集作為其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)引起越來(lái)越多的重視。本文基于TI公司的DSP設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了前端處理，從而為

4、后續(xù)信號(hào)處理和控制提供了可靠的依據(jù)。1. 基于TMS320F2812采集方案的軟硬件設(shè)計(jì)TI公司的TMS320F2812集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法提供了硬件支持。它具有128K的Flash，16個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換通道、增強(qiáng)的CAN模塊、兩個(gè)事件管理器EVA和EVB、正交編碼電路及多通道緩沖串口等外設(shè)，豐富的外設(shè)模塊使得它在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)直接基于F2812的內(nèi)部ADC。它是具有12位分辨率的、流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的16個(gè)通道，可以配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，也可以級(jí)聯(lián)成一個(gè)16通道模塊。由于F2

5、812非常脆弱，它要求AD采樣端口的采樣輸入電壓不高于3V，為了防止輸入AD采樣的電壓過(guò)高或者輸入電壓為負(fù)電壓時(shí)燒壞DSP，本系統(tǒng)在AD口的輸入采用嵌位二極管進(jìn)行限制電壓，使輸入電壓范圍在AD正常工作的采樣范圍之內(nèi)，其中某一通道的設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖1所示。圖1 AD采樣通道的硬件處理AD采樣輸入的模擬電壓值和轉(zhuǎn)換后的數(shù)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為： （1）式中ADCLO為AD轉(zhuǎn)換的參考電平，實(shí)際使用的過(guò)程中，將其與GND連在一塊，此時(shí)ADCLO的值為0。軟件流程圖如圖2所示，ADC模塊可以通過(guò)軟件觸發(fā)和事件管理器EVA和EVB進(jìn)行觸發(fā)，本文用到的采集系統(tǒng)是通過(guò)EVA的定時(shí)器3進(jìn)行觸發(fā)，可以準(zhǔn)確的設(shè)定了采樣時(shí)

6、間，將采集到的數(shù)據(jù)存入ADC的結(jié)果寄存器中。圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖2. FIR濾波器的原理在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集中，我們得到的數(shù)據(jù)中往往伴隨著噪音的干擾，而不能夠準(zhǔn)確獲得真實(shí)數(shù)據(jù)。本文利用DSP強(qiáng)大的信號(hào)處理能力很好的解決了這一問(wèn)題。數(shù)字濾波器是在數(shù)字信號(hào)處理中占有非常重要的地位，其實(shí)質(zhì)是利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)，從而完成從接收信號(hào)中提取出需要的信息同時(shí)抑制干擾的功能。它具有可靠性好、精度高和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。 本文以有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)FIR濾波器為例，將其運(yùn)算機(jī)理寫(xiě)成程序并讓DSP執(zhí)行，從而完成數(shù)字濾波器對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理。作為數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中最基本的元件，F(xiàn)IR(Finite Im

7、pulse Response)濾波器的是穩(wěn)定的系統(tǒng)，可以在保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性。FIR濾波器的單位沖擊響應(yīng)是有限長(zhǎng)的（0nN-1），其z變換為： （1） 對(duì)于FIR系統(tǒng)的單位采樣響應(yīng)，其系數(shù)為 在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于輸入信號(hào)為,經(jīng)過(guò)FIR濾波的輸出信號(hào)為： （2）由于FIR系統(tǒng)只有零點(diǎn)，因此這一類(lèi)系統(tǒng)不像IIR系統(tǒng)那樣易取得比較好的通帶與阻帶衰減特性。要取得好的衰減特性，一般要求的階次要高。但FIR系統(tǒng)有自己突出的優(yōu)點(diǎn)，其一是系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，其二是易實(shí)現(xiàn)線性相位，其三是允許設(shè)計(jì)多通帶(或多阻帶)濾波器。后兩項(xiàng)都是IIR系統(tǒng)不易實(shí)現(xiàn)的。目前，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要是建

8、立在對(duì)理想濾波器頻率特性作某種近似的基礎(chǔ)上的。這些近似的方法有窗函數(shù)法、頻率抽樣法及最佳一致逼近法。文中用的是窗函數(shù)法。3. FIR濾波器在DSP中的實(shí)現(xiàn)方法及結(jié)果驗(yàn)證由上述分析可知，F(xiàn)IR濾波器的算法實(shí)際上是一個(gè)乘法累加運(yùn)算。在這個(gè)乘法累加運(yùn)算中，主要涉及到3個(gè)要素：輸人信號(hào)、沖擊響應(yīng)即濾波器系數(shù)和輸出信號(hào)，其中濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)直接決定是否能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行濾波。因此，本文將數(shù)據(jù)采集過(guò)程分為三個(gè)階段，原始數(shù)據(jù)采集與分析、濾波器設(shè)計(jì)、以及仿真與結(jié)果驗(yàn)證。 如下圖3所示，數(shù)據(jù)是采樣時(shí)間設(shè)定為50us，總時(shí)間為60ms對(duì)直流模擬量的進(jìn)行采集，從圖中可以看出該數(shù)據(jù)含有較多的噪音，很難分辨出不同時(shí)刻該模擬

9、量的準(zhǔn)確值。圖3 ADC采集的原始數(shù)據(jù)為此設(shè)計(jì)一個(gè)FIR低通濾波器，其截止頻率 =100 Hz，抽樣頻率 =20000 Hz，階數(shù)N：50，選擇窗函數(shù)為Hamming窗。其頻譜如下圖4。圖4 FIR濾波器的頻譜通過(guò)MATLAB獲得濾波器系數(shù)= 0.00270.00290.00320.00390.00480.00590.00720.00880.01050.01240.01440.01650.01870.02090.02300.02520.02730.02920.03100.03270.03410.03530.03630.0370.03740.03750.03740.0370.03630.0353

10、0.03410.03270.0310.02920.02730.02520.0230.02090.01870.01650.01440.01240.01050.00880.00720.00590.00480.00390.00320.00290.0027。一方面利用設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得仿真結(jié)果；另一方面將獲得系數(shù)寫(xiě)入DSP程序中，通過(guò)實(shí)時(shí)采集獲得濾波后新的一組數(shù)據(jù)。將仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，仿真與實(shí)測(cè)有良好的一致性，從而肯定了方案的正確性。另外與原始數(shù)據(jù)（圖3）對(duì)比可知，經(jīng)過(guò)FIR濾波后，可以將采集數(shù)據(jù)中的噪音去除，獲得平滑的數(shù)據(jù)結(jié)果，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和控制帶來(lái)方便。圖5 濾波器仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果5. 結(jié)論本文基于TI公司的TMS320F2812 設(shè)計(jì)了ADC數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的軟硬件方案，并介紹了FIR數(shù)字濾波器的理論、設(shè)計(jì)及在DSP上的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜數(shù)據(jù)的采集能夠獲得良好的效果。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)只需按要求修改濾波器參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同截止頻率的FIR濾波器對(duì)不同的數(shù)據(jù)的采集和處理，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。參考文獻(xiàn)1蘇奎