基于DSP的16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集電路設計

摘要：針對煤巖聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)的需求，采用16位定點DSP芯片TMS320VC5509A和高精度A／D轉換器ADS1278設計了一種具有24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集功能的數(shù)據(jù)采集電路。控制接口采用I2C接口擴展I／O的方式實現(xiàn)，數(shù)據(jù)接口采用McBSP接口以幀同步方式實現(xiàn)，2片ADS1278采用菊花鏈的方式級聯(lián)。給出了硬件電路、底層軟件和測試結果，該數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡單、高性能、低功耗、設置靈活等特點，已經(jīng)應用于課題組研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)中。

關鍵詞：DSP；聲發(fā)射；高精度；多通道；同步數(shù)據(jù)采集

煤巖聲發(fā)射監(jiān)測，又名微震監(jiān)測，是一種公認的很有發(fā)展前途的連續(xù)預測煤礦動力災害的方法。目前國內已經(jīng)有多套國產和引進的系統(tǒng)投入使用。其中，煤巖聲發(fā)射信號的采集是該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一，它要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動態(tài)范圍、多通道同步數(shù)據(jù)采集等特點。目前，國內已有多家單位進行了相關的研究工作：熊慶國等采用單片機+DSP的方案研制出便于攜帶的具有16位分辨率的單通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀；周鳳星等采用C8051F022核心控制器，設計出能夠同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集站：潘一山等研制的礦震監(jiān)測定位系統(tǒng)采用了16位、8通道的數(shù)據(jù)采集器；王繼強等以TMS320VC5402處理器，分別設計了8通道、16位分辨率的微震實時監(jiān)測系統(tǒng)。

隨著技術的快速發(fā)展，處理器和A／D轉換器的性能都在不斷改善，使得更多通道、更高分辨率的煤巖聲發(fā)射信號采集成為可能。TMS320 VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定點DSP處理器，其主頻最高可達200 MHz，具有豐富的外設，適用于大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和處理。ADS1278是TI公司推出的一款工業(yè)級的24位分辨率、8通道同步A／D轉換器，具有優(yōu)良的AC和DC性能，采樣率最高可以達144 ksps，并且可通過菊花鏈的方式級聯(lián)多片，實現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集。文中以DSP處理器TMS320VC5509A為核心，通過菊花鏈的方式擴展了2片ADS12 78，實現(xiàn)了24位分辨率、16通道同步數(shù)據(jù)采集。

1 數(shù)據(jù)采集電路的工作原理

數(shù)據(jù)采集電路的結構框圖如圖1所示，其工作原理為：系統(tǒng)上電后，TMS320VC5509A(以下簡稱VC5509A)首先完成對自身資源的配置，然后通過I2C總線配置PCA9535的I／O口狀態(tài)，完成對ADS1278的基本配置。待以上準備工作完畢后，VC5509A發(fā)出一個同步轉換脈沖，啟動A／D轉換；這時，前端傳感器采集的煤巖聲發(fā)射信號經(jīng)過信號調理電路放大、濾波等預處理后送入ADS1278進行數(shù)據(jù)轉換。最后，各通道轉換后的數(shù)據(jù)以時分復用的形式送入VC5509A的McBSP端口，完成數(shù)據(jù)的采集。

由數(shù)據(jù)采集電路的原理框圖可以看出，VC5509A與ADS1278的接口是該設計的核心。該接口電路按功能劃分為兩部分：一個是控制接口，用于設置ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)傳輸模式和通道使能情況：另一個是數(shù)據(jù)接口，用于傳輸ADS1278采集的數(shù)據(jù)。此外，電源和基準電路也是該數(shù)據(jù)采集電路的重要組成部分，下文將詳細介紹。

2 數(shù)據(jù)采集電路的硬件實現(xiàn)

2．1 VC5509A與ADS1278控制接口電路設計

ADS1278的工作模式、數(shù)據(jù)輸出模式和通道使能都是通過引腳來設定的，每片需要設置的引腳多達14個。倘若采用VC5509A的I／O口完成配置，勢必造成很大的資源浪費。本文通過VC5509A的I2C控制器掛載了兩片PCA9535來完成對ADS1278的配置，只占用兩個引腳。

圖2給出了單片ADS1278與VC5509A的控制接口電路，其中，3位撥碼開關用于設置PCA9535的I2C地址；PWDN[8：1]用于設置各通道的開啟情況；MODE[1：0]用于設置工作模式；FORMAT[2：0]用于設置串行數(shù)據(jù)輸出的傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式；CLKDIV用于設置時鐘是否減半；LED指示引腳連接一個用戶指示燈，當向對應的I／O口寫入低電平時，該指示燈點亮，可據(jù)此觀察PCA9535配置是否成功。