吉慶昌 ,劉 韋 ,劉欣彤

(河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校 電氣自動(dòng)化系,河北 滄州 061001)

通過安裝敏感方向相互正交的3個(gè)角速度傳感器和3個(gè)加速度傳感器,利用 A/D轉(zhuǎn)換器和DSP采集傳感器數(shù)據(jù),從而獲得載體的姿態(tài)和速度信息,完成對載體的導(dǎo)航與控制[1]。普通的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用模擬多路開關(guān)進(jìn)行切換,這樣在各路信號之間存在采樣時(shí)差,數(shù)據(jù)的不同步是造成解算誤差的重要原因之一。若想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集,需外置多片采樣保持器、模擬轉(zhuǎn)換開關(guān),再輔以同步信號產(chǎn)生電路、多路抗混疊濾波電路等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]。鑒于需要實(shí)時(shí)同步采集6路傳感器信號和多通道 A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn),采用一個(gè)高精度多通道同步采樣的A/D轉(zhuǎn)換器對于該系統(tǒng)尤為重要。系統(tǒng)的溫度誤差補(bǔ)償通過設(shè)置溫度傳感器實(shí)現(xiàn),由于溫度變化緩慢,對同步性要求不高,利用相對低精度的A/D轉(zhuǎn)換器采集溫度信號。

1 主要器件簡介

1.1 DSP芯片TMS320F2812

TMS320F2812(以下簡稱:F2812)內(nèi)部擁有一個(gè)12位的增強(qiáng)型A/D轉(zhuǎn)換器,其中兩個(gè)獨(dú)立的 8通道模擬開關(guān)可同時(shí)采集不同種類的信號。 F2812外設(shè)包含1個(gè)SPI口和1個(gè)多通道緩沖串口McBSP兩者均可以和AD73360的同步串行接口SPROT進(jìn)行通訊。另外F2812是32位的主頻150M Hz的數(shù)字信號處理器,可用于處理高精度的數(shù)字運(yùn)算。在存儲(chǔ)器方面,F2812包括128K字的FLASHM EMORY、18K字的片上RAM和4K字的 BOOT ROM[3][4]。為了滿足要求DSP內(nèi)部需要有多于6通道的 A/D轉(zhuǎn)換器、兼容 AD73360串口通訊的外設(shè)、還要具有足夠高運(yùn)算速度以及一定空間的FLASH和RAM。它主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償和載體姿態(tài)、速度的解算,最后將結(jié)果通過串口發(fā)送給上位機(jī)。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片 AD73360

AD73360是具有 6路模擬信號輸入、16位分辨率數(shù)據(jù)輸出的 A/D轉(zhuǎn)換器,由于每路通道均包含獨(dú)自的信號調(diào)理器、可編程放大器和A/D轉(zhuǎn)換部分,因此能保證 6路模擬信號的同步采樣。在數(shù)字接口方面,AD73360的 16位同步串口SPORT可以和F2812的SPI或McBSP口連接實(shí)現(xiàn)雙向同步通訊,SPORT有3種工作模式:編程模式、數(shù)據(jù)模式和混合模式。編程模式只接收控制命令字,用于對各個(gè)控制寄存器的設(shè)置;數(shù)據(jù)模式只輸出采樣數(shù)據(jù);混合模式允許在輸出采樣數(shù)據(jù)的過程接收控制字[5]。

2 多方式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

基于DSP的多方式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、電壓跟隨電路、A/D轉(zhuǎn)換、電源模塊、DSP模塊和外部通訊模塊組成,如圖1所示。傳感器部分由姿態(tài)傳感器、速度傳感器和溫度傳感器組成。敏感方向相互正交安裝的姿態(tài)傳感器和速度傳感器可實(shí)時(shí)輸出載體的3個(gè)方向的角加速度和線加速度信息,溫度傳感器用于輸出 6個(gè)慣性傳感器的溫度信號。每路信號都經(jīng)過電壓跟隨電路后輸入 A/D轉(zhuǎn)換芯片,6通道16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD73360用于接收角加速度和線加速度信號,并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號通過多路緩沖同步串口McBSP輸入DSP中。外部通訊模塊負(fù)責(zé)將解算結(jié)果傳給上位機(jī),電源模塊提供系統(tǒng)各個(gè)模塊所需要的電壓。

圖1 基于DSP的多方式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成圖

3 電路接口和軟件設(shè)計(jì)

3.1 F2812與 AD73360的接口設(shè)計(jì)

F2812與 AD73360的接口設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和關(guān)鍵部分?？紤]到 F2812的McBSP口應(yīng)用靈活性,系統(tǒng)利用McBSP口和AD73360的SPORT口連接,McBSP口有6條信號線,其中3條用于發(fā)送數(shù)據(jù),分別是發(fā)送數(shù)據(jù)端MDXA、發(fā)送幀同步端MFSXA和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)鐘端MCLKXA;另外3條用于接收數(shù)據(jù),分別是接收數(shù)據(jù)端MDRA、接收幀同步端M FSRA和接收數(shù)據(jù)時(shí)鐘端MCLKRA[6]。 AD73360的 SPORT口也包括6條信號線,分別是串行數(shù)據(jù)輸出端 SDO、數(shù)據(jù)輸出幀同步端 SDOFS、串行數(shù)據(jù)輸入端 SDI、數(shù)據(jù)輸入幀同步端 SDIFS、同步時(shí)鐘SCLK和串行接口使能端 SE。兩者之間的信號線連接方式如圖2所示,AD73360的輸出幀同步端SDOFS和輸入幀同步端 SDIFS共同和DSP的兩個(gè)幀同步端 MFSRA和MFSXA相連,同步時(shí)鐘SCLK端也同時(shí)連到 DSP的兩個(gè)時(shí)鐘端 MCLKXA和MCLKRA。 DSP的兩個(gè)通用 I/O口GPIOB10、GPIOB12連接到 AD73360的復(fù)位端和使能端 SE,實(shí)現(xiàn)對 AD73360的控制。為了使 AD73360和F2812的I/O接口電平相匹配,在 AD73360輸出到 F2812的信號還需增加電平轉(zhuǎn)換電路。

圖2 AD73360與 F2812的接口連接圖

3.2 其他電路

系統(tǒng)的電路連接還包括 F2812外圍電路、數(shù)據(jù)采集電路和電源模塊等。F2812的外圍電路主要有晶體振蕩器電路、復(fù)位及看門狗電路、JT AG調(diào)試電路和工作模式設(shè)置等組成。

數(shù)據(jù)采集電路部分采用 A/D轉(zhuǎn)換芯片和DSP本身的 A/D轉(zhuǎn)換模塊兩種方式,3路角加速度信號和3路線加速度計(jì)信號對精度和同步性要求比較高,采用16位高精度同步 A/D轉(zhuǎn)換芯片 AD73360進(jìn)行采集,信號經(jīng)電壓跟隨后接入 AD73360的正向輸入端,反向輸入端接入2.5V的參考電壓。為了濾去信號中的高頻干擾,在輸入端設(shè)置了低通濾波器。 6路溫度信號接到F2812的 ADCINA2～ADCINA7端口,另外將模擬地接入 ADCINA1端口用于檢測模擬端的干擾。

電源模塊負(fù)責(zé)將外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部需要的各種電壓,本系統(tǒng)包含的模塊比較多,所以電源模塊的設(shè)計(jì)尤為重要。在系統(tǒng)中需要提供給AD73360的+5V模擬電壓,而DSP則需要+3.3V的I/O電壓、+3.3V的 A/D模塊的模擬電壓、+1.8V的內(nèi)核電壓和+1V、+2V的參考電壓,同時(shí)系統(tǒng)中的外圍芯片需要用到+5V的數(shù)字電壓。在電源模塊設(shè)計(jì)中,必須保證整個(gè)系統(tǒng)工作在“一個(gè)地”的基準(zhǔn)上,所以在 PCB板上模擬地和數(shù)字地必須在某點(diǎn)接地。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

F2812的程序在CCS3.3下編寫、調(diào)試和運(yùn)行,流程圖如圖3所示。其中DSP的初始化包括PLL設(shè)置、中斷設(shè)置、PIE設(shè)置、GPIO設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置、McBSP接口設(shè)置以及 ADC設(shè)置等。為了和AD73360工作方式吻合,設(shè)置 McBSP包括發(fā)送、接收幀同步和時(shí)鐘均為外部輸入;發(fā)送、接收的每個(gè)幀同步傳送寬度為16位;發(fā)送端(接收端)相鄰兩個(gè)幀同步延時(shí)為1個(gè)數(shù)據(jù)位;發(fā)送中斷由 XRDY標(biāo)志觸發(fā),接收中斷由 RRDY標(biāo)志觸發(fā)。通過McBSP來配置 AD73360主要包括設(shè)置分頻因子配置發(fā)送時(shí)鐘SCLK;設(shè)置 A/D的采樣頻率;AD73360初始化流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

針對慣性傳感器數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn),利用 6通道同步 A/D轉(zhuǎn)換芯片AD73360和 TMS320F2812內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)了一種多方式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。16位分辨率 6通道同步輸入的 AD73360負(fù)責(zé)采集精度和同步性要求比較高的 3路線加速度和3路角加速度信號;片內(nèi)12位分辨率的 A/D模塊負(fù)責(zé)采集精度和同步性要求相對較低的溫度信號。結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了慣性傳感器模擬通道的同步采樣,解決了采樣時(shí)差給數(shù)據(jù)解算造成的誤差,滿足了信號采集中的不同精度要求。

[1]秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[2]毛曉波等.TMS320F2407與 AD73360接口電路設(shè)計(jì) [J].礦山機(jī)械,2007,35(7):104-107.

[3]蘇奎峰,呂強(qiáng),耿慶峰,等.TM S320F2812原理與開發(fā) [M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[4]美國 TI公司.TMS320x281x數(shù)據(jù)手冊 [Z].美國 TI公司,2004.

[5]美國 AD公司.AD73360數(shù)據(jù)手冊 [Z].美國 AD公司 ,2000.

[6]美國 TI公司.TMS320F28x多通道緩沖串口參考手冊 [Z].美國 TI公司,2002.