基于DSP数据采集电路设计.docx
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基于DSP数据采集电路设计
基于DSP2812的AD采样电路设计
目录
摘要2
第一章理论介绍与设计思路3
1.1基本理论知识介绍3
1.2DSP芯片介绍4
第二章电路设计与实验仿真7
2.1总体设计思路7
2.2硬件电路的设计7
2.3系统软件的设计8
2.4实验程序10
2.5实验结果15
结束语16
参考文献17
摘要
本文介绍了应用DSP实现对交流信号的采样硬件电路设计,论文总共分为四个部分。
(1)介绍交流采样的基本结构,设计思路;
(2)通过对交流采样对象的分析,确定采样的参数大小并设计基于TMS320F2812的采样电路;(3)运用CCS3.3利用设计的程序对采样电路进行试验;(4)通过上述设计,能够完成对信号的采集、处理并将所需数值显示出来。
关键词:
采样,TMS320F2812,数据采集
ABSTRACT
ThisarticleintroducedrealizesusingDSPtoexchangesthesignalsamplinghardwarecircuitdesign,thepaperaltogetherdividesintofourparts.
(1)introducedthattheexchangesamplingthebasicstructure,thedesignmentality;
(2)throughtoexchangesthesamplingobjectanalysis,thedefinitesampling'sparametersizeanddesignsbasedontheF2812samplingcircuit;(3)carriesontheexperimentusingCCS3.3usingthedesignproceduretothesamplingcircuit;(4)throughtheabovedesign,cancompletetoexchangessignalgathering,processingandwillneedthevaluetodemonstrate,satisfiesthedesignrequirements.
KEYWORDS:
Sampling,TMS320F2812,dataacquisition
第一章理论介绍与设计思路
1.1基本理论知识介绍
数据采集:
由于一个模拟信号在时间上是连续的,而数字信号要求在时间上是离散的,这就要求系统每经过一个固定的时间间隔对模拟信号进行测量。
这种测量就叫做采样。
这个时间周期就叫做采样周期,它的倒数称为采样频率。
采样频率满足采样定理:
对于一个模拟信号,如果能够满足采样频率大于或等于模拟信号中最高频率分量的两倍,那么依据采样后得到的离散序列就能够没有失真地恢复出模拟信号。
量化:
所谓量化就是把采集到的数值送到量化器(A/D转换器)编码成数字,每个数字代表一次采样所获得的声音信号的瞬间值。
量化时,把整个幅度划分为几个量化级(量化数据位数),把落入同一级的样本值归为一类,并给定一个量化值。
量化级数越多,量化误差就越小,声音质量就越好。
目前常用量化数据位来表示量化级,例如数据位为8位,则表示
个量化级,最高量化级有
个(65536个)等级。
量化过程存在量化误差,反映到接收端,这种误差作为噪声再生,称为量化噪声。
增加量化位数能够把噪声降低到无法察觉的程度,但随着信号幅度的降低,量化噪声与信号之间的相关性变得更加明显。
编码:
将取得的量化数值转换为二进制数数据的过程,把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类:
不归零码和曼彻斯特编码[5]。
DSP的含义:
数字信号处理强调的是对以数字形式表现的信号进行处理的理论和方法。
(包括采集,变换,滤波,估值,增强,压缩,识别等处理过程)。
数字信号处理器强调的是通过专用集成电路芯片,利用数字信号处理的理论,在芯片上实现某种数字信号处理的算法。
DSP技术是指利用专用或通用数字信号处理芯片,通过数字计算的方法对信号进行处理。
本系统通过选择合适的元器件组成数据采集系统。
DSP系统的核心部分是DSP芯片,但是DSP芯片能处理的信号必须是数字的,而实际系统中的信号一般都是模拟信号。
所以在采集信号时需要前向通道AD输入和后向通道通道DA使DSP芯片和实际系统连接起来。
根据以上叙述可画出系统的结构框图如图1.1.1所示
图1.1.1DSP数据采集结构图
1.2DSP芯片介绍
DSP是DigitalSignalProcessor的简称,即数字信号处理器,也称为DSP芯片,它不仅具有可编程性,而且其实时运行速度远远超过通用微处理器。
他是一种适合于数字信号处理的高性能微处理器。
为了实现快速的数字信号处理,DSP芯片一般都采用特殊的软硬件结构。
TMS320系列DSP主要采取了哈佛结构、流水线技术、硬件乘法器和特殊DSP指令等。
本次设计使用的是DSPTMS320F2812芯片,其技术指标如下:
1、芯片运行速度为150M;
2、工作速度可达150MIPS;
3、片上RAM18k×16bit;
4、片上扩展RAM存贮空间64K×16Bit;
5、自带16路12bitA/D,最大采样速率12.5msps;
6、2路的DAC7528转换,10M/S,8Bit;
7、一路UART串行接口,符合RS232标准;
8、16路PWM输出;
9、1路CAN接口通信;
10、片上128×16bitFLASH,自带128位加密位;
11、设计有用户可以自定义的开关和测试指示灯;
12、4组标准扩展连接器,为用户进行二次开发提供条件;
13、具有IEEE1149.1相兼容的逻辑扫描电路,该电路仅用于测试和方针
14、+12V电源输入,内部+3.3V、+1.8V电源管理;
F2812有四个用于二次开发的34芯外扩总线,分辨是J12、J13、J18、J19。
J12扩展插座包含16根地址线和16跟数据线,可以用于读出和输出并行的数据;J13扩展插座包括F2812外部扩展总线的控制线、McBSP接口线、外部中断和外部复位等重要的引脚信号;J18扩展插座主要是AD和DA接口,J18仲扩展了所有的AD和DA引脚;J19扩展插座主要是扩展F2812开发板上空闲的DSP外设引脚,以便于制定硬件环境。
由于交流采样系用只需要用到J18和J19扩展插座,下表就对J18和J19的管脚定义进行说明。
表1.2.1J18的管脚定义和说明
管脚号
管脚名
说明
管脚号
管脚名
说明
1
VCCA
模拟电源+5V
18
AGND
模拟地
2
VCCA
模拟电源+5V
19
ADINB6
模拟输入通道B6
3
CAP1
CAP输入端1
20
ADINB7
模拟输入通道B7
4
CAP2
CAP输入端2
21
ADREFIN
测试引脚
5
ADINA2
模拟输入通道A2
22
ADCREFLO
模拟参考低电压输入
6
ADINA3
模拟输入通道A3
23
ADINA0
模拟输入通道A0
7
ADINA4
模拟输入通道A4
24
ADINA1
模拟输入通道A1
8
ADINA5
模拟输入通道A5
25
DAOUT1
模拟输出通道1
9
ADINA6
模拟输入通道A6
26
DAOUT2
模拟输出通道2
10
ADINA7
模拟输入通道A7
27
11
ADINB0
模拟输入通道B0
28
12
ADINB1
模拟输入通道B1
29
CAP3
CAP输入端3
13
ADINB2
模拟输入通道B2
30
CAP4
CAP输入端4
14
ADINB3
模拟输入通道B3
31
CAP5
CAP输入端5
15
ADINB4
模拟输入通道B4
32
CAP6
CAP输入端6
16
ADINB5
模拟输入通道B5
33
AGND
模拟地
17
AGND
模拟地
34
AGND
模拟地
表1.2.2J19的管脚定义和说明
管脚号
管脚名
说明
管脚号
管脚名
说明
1
+5V电源
由POWER提供的电源
18
GND
地线
2
+5V电源
由POWER提供的电源
19
T2CTRP
定时器2比较输出
3
PWM1
PWM1输出引脚
20
T3CTRP
定时器3比较输出
4
PWM2
PWM2输出引脚
21
T4CTRP
定时器4比较输出
5
PWM3
PWM3输出引脚
22
C1CRTIP
比较器1比较输出
6
PWM4
PWM4输出引脚
23
C2CRTIP
比较器2比较输出
7
PWM5
PWM5输出引脚
24
C3CRTIP
比较器3比较输出
8
PWM6
PWM6输出引脚
25
TDIRA
定时器计数方向A
9
PWM7
PWM7输出引脚
26
TCKINA
定时器时钟输入A
10
PWM8
PWM8输出引脚
27
SCITXB
异步串口TX端B
11
PWM9
PWM9输出引脚
28
SCIRXB
异步串口RX端B
12
T1PWM
T1输出引脚
29
SPSIMA
SPI主收主发端
13
T2PWM
T2输出引脚
30
SPSOMA
SPI主发从收端
14
T3PWM
T3输出引脚
31
SPICLKA
SPI时钟
15
T4PWM
T4输出引脚
32
SPISTEA
SPISlave发送使能
16
T1CTRP
定时器1比较输出
33
GND
地线
17
GND
地线
34
GND
地线
第二章电路设计与实验仿真
2.1总体设计思路
本设计是一个电压、电流信号的采样。
要求是明确该系统的基本构成,了解均方根算法等相关控制算法,熟悉DSP采样原理,完成采样电路软硬件电路的设计,实现交流采样。
文章介绍了以DSPF2812为核心的交流采样系统的设计,该设计采用了AD转换器以同时检测电流与电压的大小,并在程序上进行监控。
本系统由硬件设计和软件变成构成,以下逐步对整个系统的软硬件设计作出介绍。
2.2硬件电路的设计
图2.2.1交流采样电路(主回路)
图2.2.2采样数据偏置处理
图2.2.3DSP接线插座图
2.3系统软件的设计
模数转换相对于计算机来说是一个较为缓慢的过程。
一般采用中断方式启动转换或保存结果,这样在CPU忙于其他工作时可以少占用处理时间。
设计转换程序应首先考虑处理过程如何与模数转换的时间相匹配,根据实际需要选择适当的触发转换的手段,也要能及时地保存结果。
本程序采用定时器启动采样开始的中断程序设计,定时器设置采样时间15.625kHz(64us),采样通道设置为A0和A1。
由于ADS7864芯片的A/D转换精度是12位的,转换结果的最高位表示转换值是否有效(1有效),第12~14位表示转换的通道号,低12位为转换数值,所以在保留时应该注意去出结果的低12位,再根据提高4位进行相应保存。
AD采样在中断中实现,由定时器1来软件触发中断,定时器周期设为0.1ms。
每0.1ms采样一次,在AD中断服务程序中,把采样结果保存到内存中去。
软件流程如图2.3.1、图2.3.2、图2.3.3所示、。
图2.3.1采样程序流程图
图2.3.2定时器中断流程图
图2.3.3AD中断流程图
2.4实验程序
#include
#include"DSP28_Device.h"
#include"comm.h"
#defineSAMPLERATE2
unsignedintSampleRate;
unsignedintSampleLong=1024;
unsignedinti,j;
unsignedintAd_data[1536]={0};
unsignedintconvcount=0;
volatileunsignedintadconvover=0;//Prototypestatementsforfunctionsfoundwithinthisfile.
interruptvoidISRTimer2(void);
interruptvoidad(void);
voidmain(void){
/*初始化系统*/
InitSysCtrl();
#ifSAMPLERATE==1
SampleRate=ADSAMPL8K;
#endif
#ifSAMPLERATE==2
SampleRate=ADSAMPL44K;
#endif
#ifSAMPLERATE==3
SampleRate=ADSAMPL96K;
#endif
/*关中断*/
DINT;
IER=0x0000;
IFR=0x0000;
/*初始化PIE中断*/
InitPieCtrl();
/*初始化PIE中断矢量表*/
InitPieVectTable();
//初始化cputimer
InitCpuTimers();
/*设置中断服务程序入口地址*/
EALLOW;//ThisisneededtowritetoEALLOWprotectedregisters
PieVectTable.TINT2=&ISRTimer2;
PieVectTable.ADCINT=&ad;
EDIS;//ThisisneededtodisablewritetoEALLOWprotectedregisters
/*开中断*/
IER|=M_INT1;//ADC中断
EINT;//EnableGlobalinterruptINTM
ERTM;//EnableGlobalrealtimeinterruptDBGM
/*启动AD采样*/
/*AD采样率*/
adconvover=0;
switch(SampleRate){
caseADSAMPL8K:
//采样率为8k
DINT;
/*设置CPU*/
ConfigCpuTimer(&CpuTimer2,150,125);
StartCpuTimer2();
/*开中断*/
IER|=M_INT14;
EINT;
InitAdc();
SampleRate=0;
break;
caseADSAMPL44K:
//采样率为44k
DINT;
/*设置CPU*/
ConfigCpuTimer(&CpuTimer2,150,22);
StartCpuTimer2();
/*开中断*/
IER|=M_INT14;
EINT;
InitAdc();
SampleRate=0;
break;
caseADSAMPL96K:
//采样率为96k
DINT;
/*设置CPU*/
ConfigCpuTimer(&CpuTimer2,150,10);
StartCpuTimer2();
/*开中断*/
IER|=M_INT14;
EINT;
InitAdc96k();
SampleRate=0;
break;
default:
break;
}
for(;;){
if(adconvover==1){
adconvover=0;
}
}
}
interruptvoidad(void)
{
IFR=0x0000;
PieCtrl.PIEACK.all=0xffff;
if(adconvover==0){
Ad_data[convcount]=AdcRegs.RESULT0;
convcount++;
}
if(convcount==(SampleLong+SampleLong/2))
{
convcount=0;
adconvover=1;//接满标志
}
}
interruptvoidISRTimer2(void)
{
AdcRegs.ADC_ST_FLAG.bit.INT_SEQ1_CLR=1;
AdcRegs.ADCTRL2.bit.SOC_SEQ1=1;
}
2.5实验结果
用信号发生器产生幅度小于3V,频率为1000Hz的正弦波作为AD7的输入。
运行程序,利用DSP的开发软件CCS自带的图形绘制功能可得到A/D的采样结果如图2.4.1所示。
图2.5.1图形窗口中显示的A/D采样结果
结束语
本文介绍了基于DSP的交流采样系统的设计,通过DSP芯片内的A/D模块对运放输出的信号进行采样,通过实验板上的I/O口对显示电路和动作电路进行控制,而且描述了其工作原理、设计思路及实现方法。
设计结果证明了采用DSP进行交流采样的可行性。
通过本设计工作,我收获了许多关于DSP和相关方面的知识,通过解决设计过程中遇到的问题,锻炼了自己分析处理问题的能力,并且以后能在这次设计中吸取教训,这对今后的学习工作来说,是很宝贵的经验。
在做设计工作的过程中遇到了很多问题,让自己头疼好一阵。
后来经过自己研究学习,上网查资料一个个解决了,通过课设我了解了A/D软件、DSP软件的工作原理,初步了解了数据采集程序,让自己体会到了自己解决困难的快乐。
参考文献
[1]DSP原理与应用技术,电子工业出版社,王忠勇,陈恩庆,2009
[2]手把手教你学DSP—基于TMS320X281x(第2版),北京航天航空大学出版社,顾卫钢,2015
[3]TMS320F2812原理与开发电子工业出版社苏奎峰吕强耿庆峰,2006
[4]DSP基础与应用系统设计北京航空航天大学出版社王念旭等2001
[5]基于DSP的电气参数测试仪研究,仪表技术,陈志洋,邹云屏,2004
[6]TMS320LF240XDSP结构、原理及应用北京航空航天大学出版社,刘和平,严利平,张学锋等,2002
[7]
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- 关 键 词:
- 基于 DSP 数据 采集 电路设计