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基于DSP的16通道声发射同步数据采集电路设计

发布时间:2020-07-21 18:14:48 阅读: 来源:冰垫厂家

摘要:针对煤岩声发射信号监测系统的需求,采用16位定点DSP芯片TMS320VC5509A和高精度A/D转换器ADS1278设计了一种具有24位分辨率、16通道同步数据采集功能的数据采集电路。控制接口采用I2C接口扩展I/O的方式实现,数据接口采用McBSP接口以帧同步方式实现,2片ADS1278采用菊花链的方式级联。给出了硬件电路、底层软件和测试结果,该数据采集电路具有接口简单、高性能、低功耗、设置灵活等特点,已经应用于课题组研制的煤岩声发射监测系统中。

本文引用地址:关键词:DSP;声发射;高精度;多通道;同步数据采集

煤岩声发射监测,又名微震监测,是一种公认的很有发展前途的连续预测煤矿动力灾害的方法。目前国内已经有多套国产和引进的系统投入使用。其中,煤岩声发射信号的采集是该监测系统实现的重要环节之一,它要求数据采集电路具有大动态范围、多通道同步数据采集等特点。目前,国内已有多家单位进行了相关的研究工作:熊庆国等采用单片机+DSP的方案研制出便于携带的具有16位分辨率的单通道岩体声发射监测仪;周凤星等采用C8051F022核心控制器,设计出能够同步采集三路16位分辨率加速度传感器信号的声发射数据采集站:潘一山等研制的矿震监测定位系统采用了16位、8通道的数据采集器;王继强等以TMS320VC5402处理器,分别设计了8通道、16位分辨率的微震实时监测系统。

随着技术的快速发展,处理器和A/D转换器的性能都在不断改善,使得更多通道、更高分辨率的煤岩声发射信号采集成为可能。TMS320 VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定点DSP处理器,其主频最高可达200 MHz,具有丰富的外设,适用于大量数据的数据采集和处理。ADS1278是TI公司推出的一款工业级的24位分辨率、8通道同步A/D转换器,具有优良的AC和DC性能,采样率最高可以达144 ksps,并且可通过菊花链的方式级联多片,实现更多通道的数据采集。文中以DSP处理器TMS320VC5509A为核心,通过菊花链的方式扩展了2片ADS12 78,实现了24位分辨率、16通道同步数据采集。

1 数据采集电路的工作原理

数据采集电路的结构框图如图1所示,其工作原理为:系统上电后,TMS320VC5509A(以下简称VC5509A)首先完成对自身资源的配置,然后通过I2C总线配置PCA9535的I/O口状态,完成对ADS1278的基本配置。待以上准备工作完毕后,VC5509A发出一个同步转换脉冲,启动A/D转换;这时,前端传感器采集的煤岩声发射信号经过信号调理电路放大、滤波等预处理后送入ADS1278进行数据转换。最后,各通道转换后的数据以时分复用的形式送入VC5509A的McBSP端口,完成数据的采集。

由数据采集电路的原理框图可以看出,VC5509A与ADS1278的接口是该设计的核心。该接口电路按功能划分为两部分:一个是控制接口,用于设置ADS1278的工作模式、数据传输模式和通道使能情况:另一个是数据接口,用于传输ADS1278采集的数据。此外,电源和基准电路也是该数据采集电路的重要组成部分,下文将详细介绍。

2 数据采集电路的硬件实现

2.1 VC5509A与ADS1278控制接口电路设计

ADS1278的工作模式、数据输出模式和通道使能都是通过引脚来设定的,每片需要设置的引脚多达14个。倘若采用VC5509A的I/O口完成配置,势必造成很大的资源浪费。本文通过VC5509A的I2C控制器挂载了两片PCA9535来完成对ADS1278的配置,只占用两个引脚。

图2给出了单片ADS1278与VC5509A的控制接口电路,其中,3位拨码开关用于设置PCA9535的I2C地址;PWDN[8:1]用于设置各通道的开启情况;MODE[1:0]用于设置工作模式;FORMAT[2:0]用于设置串行数据输出的传输协议和数据格式;CLKDIV用于设置时钟是否减半;LED指示引脚连接一个用户指示灯,当向对应的I/O口写入低电平时,该指示灯点亮,可据此观察PCA9535配置是否成功。

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