16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集中的電路設(shè)計

1、    16通道聲發(fā)射同步數(shù)據(jù)采集中的電路設(shè)計    張笑彰 高博男【摘要】    針對煤巖聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)需求，采用定點dsp芯片tms320vc5509a設(shè)計具有24位分辨率的數(shù)據(jù)采集電路，控制接口采用12c接口擴展i/o方式實現(xiàn)，以幀同步方式實現(xiàn)，采用菊花鏈方式級聯(lián)，數(shù)據(jù)采集電路具有接口簡單，低功耗等特點，應(yīng)用于研制的煤巖聲發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)中。【關(guān)鍵詞】    dsp    聲發(fā)射    電路設(shè)計煤巖聲發(fā)射檢測是公認的有發(fā)展前途的連續(xù)預(yù)測煤礦動力災(zāi)害的方法，國內(nèi)已有多套國

2、產(chǎn)系統(tǒng)投運，煤巖聲發(fā)射信號采集是監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，要求數(shù)據(jù)采集電路具有大動態(tài)范圍，國內(nèi)已有多家單位進行相關(guān)研究工作，熊慶國等研制出便于攜帶的單聲通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測儀，周鳳星等設(shè)計出能同步采集三路16位分辨率加速度傳感器信號的聲發(fā)射數(shù)據(jù)集站。王繼強等分別設(shè)計了8通道的微震實時監(jiān)測系統(tǒng)。隨著處理器的性能不斷改善，更多通道的煤巖聲發(fā)射信號采集成為可能。tms320vc5509a是一款低功耗，16位定點dsp處理器，具有豐富的外設(shè)，ads1278的一款工業(yè)級的24文分辨率同步a/d轉(zhuǎn)換器，采樣率最高達144ksps，實現(xiàn)更多通道的數(shù)據(jù)采集，本文以tms320vc5509a為核心，擴展了2片ad1

3、278，實現(xiàn)16通道同步數(shù)據(jù)采集。一、數(shù)據(jù)采集電路原理數(shù)據(jù)采集電路結(jié)構(gòu)工作原理是，tms320vc5509a首先完成自身資源的配置，通過i2c總線配置i/o狀態(tài)，準備工作完成后vc5509a發(fā)出同步轉(zhuǎn)換脈沖，傳感器采集煤巖聲發(fā)射信號經(jīng)預(yù)處理后送入ads1278進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)送入vc5509a的mcbsp端口。由數(shù)據(jù)采集電路原理可知，vc5509a接口是設(shè)計的核心，接口電路按功能分為控制與數(shù)據(jù)接口，控制接口用于設(shè)置ads1278工作模式。數(shù)據(jù)接口用于傳輸ads1278采集數(shù)據(jù)。二、數(shù)據(jù)采集電路硬件實現(xiàn)ads1278工作模式與通道使能是通過引腳設(shè)定，每篇需設(shè)置引腳14個。如i/o口完成配置會造

4、成很大的資源浪費，通過i2c控制器掛載兩片pca935完成配置。3位撥碼開關(guān)用于設(shè)置pca955的i2c地址，mode用于設(shè)置工作模式，clkdiv用于設(shè)置時鐘是否減半，對應(yīng)的i/o口寫入低電平時，指示燈電量。觀察配置是否成功。ads1278轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)以串行方式通過引腳輸出，通過vc5509a的mcbsp外設(shè)接口接受轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，支持spi與幀同步協(xié)議，幀同步模式擁有更快的傳輸速度。vc5509a與ads1278采用幀同步協(xié)議數(shù)據(jù)接口電路，以菊花鏈方式級聯(lián)，dout1連接到u2的din輸入，連到vc5509a的dri引腳，u2和u3擁有相同的sclk，fsync控制信號。穩(wěn)定的電源是實現(xiàn)高精度

5、數(shù)據(jù)采集的必要保障，數(shù)據(jù)采集電路包含ads1278的1.8v內(nèi)核電源等典型電源，5v模擬電源通過lm7805線性穩(wěn)壓得到，1.8v數(shù)字電源通過高電源抑制比電源芯片tps73018獲得。基準電路在高精度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計中非常重要，會直接影響采集電路的精度，采用低噪聲，高精度的電壓基準芯片為ads1278提供參考電壓，在將基準信號送入ads1278前添加一級調(diào)理電路阻抗匹配，使ref5025輸出性能達到最佳。三、數(shù)據(jù)采集地層軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集電路地層軟件實現(xiàn)包括配置與數(shù)據(jù)采集，配置分為對vc5509a初始化，包括csl庫，gpio，定時器，dma等，對ads1278參數(shù)的設(shè)置包括通道開啟情況等，數(shù)據(jù)

6、采集工作主要由dma完成，cpu僅負責緩沖區(qū)等操作。系統(tǒng)上電后首先完成初始化工作，進入中斷等待狀態(tài)，由dma采集數(shù)據(jù)，dma存滿緩沖區(qū)后觸發(fā)中斷。cpu進行數(shù)據(jù)處理等操作返回等待下次中斷。dma與cpu并行工作，dma專門負責存儲數(shù)據(jù)，cpu負責切換緩沖區(qū)，cpu與dms操作不同的緩沖區(qū)，cpu處理緩沖區(qū)1數(shù)據(jù)。dma與cpu實現(xiàn)乒乓切換操作，使dsp發(fā)揮最佳性能。數(shù)據(jù)采集電路通道多，選取兩組典型通道測試同一信號，通過graph工具調(diào)取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)顯示采集信號波形，測試中設(shè)置ads1278采樣頻率為9375hz，橫坐標為換算后的時間信息，縱坐標為a/d的實際數(shù)值。圖中測試信號頻率為100hz，兩通道采集信號波形一致，說明兩通道采樣同步性，通道3信號頻率為200hz，通道9信號頻率為300hz，通道9信號頻率為通道3 的1.5倍，說明通道采集不同信號正確性。兩圖中信號連續(xù)光滑，說明采集電路的高性能。結(jié)語：本文針對煤巖聲發(fā)射信號采