引 言

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

　　數(shù)據(jù)采集是DSP基本的應(yīng)用領(lǐng)域，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。TMS320F2812 是美國TI 公司推出的C2000 平臺上的定點(diǎn)32 位DSP 芯片，適合用于工業(yè)控制，電機(jī)控制等，用途廣泛，應(yīng)該相當(dāng)于單片的升級版。運(yùn)行時鐘也快可達(dá)150MHz，處理性能可達(dá)150MIPS，每條指令周期6.67ns。IO口豐富，對用戶一般的應(yīng)用來說足夠了。兩個串口。具有12位的0~3.3v的AD轉(zhuǎn)換等。具有片內(nèi)128k×16位的片內(nèi)FLASH，18K ×16 位的SRAM，一般的應(yīng)用系統(tǒng)可以不要外擴(kuò)存儲器。具有快速中斷響應(yīng)與處理能力；TMS320F2812應(yīng)用大量外設(shè)接口簡化了電路設(shè)計(jì)；提供了足夠的處理能力，使一些復(fù)雜的實(shí)時控制算法的應(yīng)用成為可能。

　　USB是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的一種高速通用串行總線協(xié)議。本文利用Philips公司的PDIUSBD12芯片。為恩智浦半導(dǎo)體公司（以前的飛利浦）的USB2.0（有些資料稱其是USB1.1芯片） Device芯片。其支持USB2.0 全速（12Mbps），是屬于設(shè)備端的USB接口芯片（USB總線為主機(jī)-從機(jī)結(jié)構(gòu)總線）。將USB協(xié)議應(yīng)用于以DSP為的嵌入式系統(tǒng)，可以大大提高DSP系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信能力，從而拓寬DSP的應(yīng)用范圍。本文利用DSP和USB設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，符合三維感應(yīng)測井多通道數(shù)據(jù)采集的需要。

　　數(shù)字采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括DSP、前置放大電路、信號調(diào)理電路、USB通訊接口，由于三維感應(yīng)測井有3個Z軸向接收線圈和7組三分量接收線圈構(gòu)成，所以采用了7組多路開關(guān)。在一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器是采集系統(tǒng)的。

　　圖1 三維感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　信號調(diào)理電路

　　信號處理電路，把模擬信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出或其他目的的數(shù)字信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、光強(qiáng)等…但由于傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號等，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。然后，ADC對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到MCU或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。

　　由于本采集系統(tǒng)用于三維感應(yīng)測井中，它對信號采集的要求高，因?yàn)楸徊尚盘栴l率較高，采樣通道多，所以結(jié)果分析對原始數(shù)據(jù)的依賴性強(qiáng)。本設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路分為前置放大器、帶通濾波器、程控增益放大器、陷波器四部分。

　　前置放大器設(shè)計(jì)

　　前置放大器的噪聲系數(shù)對整個采集系統(tǒng)的噪聲特性具有重要的影響。因?yàn)樗a(chǎn)生的噪聲會被后續(xù)各級放大器逐級放大，所以在選擇放大器時低噪聲指標(biāo)非常重要。在研制低噪聲放大器時，應(yīng)該抓住低噪聲這個關(guān)鍵指標(biāo)來分析、計(jì)算并設(shè)計(jì)電路。前置放大器功能有兩個：一是要選擇所需要的音源信號，二是要進(jìn)行各種音質(zhì)控制，以美化聲音。

　　由于測井時被采信號一般為微伏級，因此本設(shè)計(jì)采用INA128儀用差分放大器，它的輸入失調(diào)電壓為50μV，溫度系數(shù)為0.5μV/℃，輸入失調(diào)電流為5nA，同時還有很寬的電源電壓范圍，可以在±2.25V到±18V的供電電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。電壓增益可以通過外接電阻改變，INA128 和INA129 是低功耗高的通用儀表放大器，它們通用的3 運(yùn)放3-op amp 設(shè)計(jì)和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛。反饋電流Current-feedback 輸入電路即使在高增益條件下（G = 100 時200kHz）也可提供較寬的帶寬。單個外部電阻可實(shí)現(xiàn)從1 至10000 的任一增益選擇INA128 提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增益等式gain equation INA129 的增益等式與AD620 兼容。其計(jì)算公式為。當(dāng)電壓增益大于100時，INA128的輸入共模抑制比達(dá)到120dB，對輸入信號的共模干擾起到了很好的抑制作用。

　　用MAX267 設(shè)計(jì)帶通濾波器

　　MAX267內(nèi)部含有2個獨(dú)立的二階開關(guān)電容帶通濾波器，它有l(wèi)2個可編程輸入端，其中5個用來設(shè)置濾波器中心頻率，另外7個用來設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q，因此，不需要外加任何元件，僅需要外部時鐘就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，使用極為方便。

　　在三維感應(yīng)測井中所設(shè)定的有用信號的帶寬為20kHz到250kHz，因此選用MAX267設(shè)計(jì)一種帶通增益放大器。MAX267內(nèi)部含有2個獨(dú)立的二階開關(guān)電容帶通濾波器，它有12個可編程輸入端，其中F0~F4為濾波器中心頻率設(shè)置輸入端，分別接低電平或高電平，可以將中心頻率設(shè)置為時鐘頻率的1/10，另外Q0~Q6為品質(zhì)因數(shù)設(shè)置輸入端，分別接低電平或高電平，可以在0.5~64 之間設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)。因此，不需要外加任何元件，而僅需外部時鐘就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，使用極為方便。帶通特性曲線如圖2所示。

　　圖2 帶通特性曲線

　　其傳遞函數(shù) G（S）為：

　　在上式中，HOPB是ω=ω0時的輸出帶寬值，且ω0 =2πf。

　　fL和fH分別為：                           

　　其中                                      

　　程控增益放大器設(shè)計(jì)

　　程控增益放大器與普通放大器的差別在于反饋電阻網(wǎng)絡(luò)可變且受控于控制接口的輸出信號。不同的控制信號，將產(chǎn)生不同的反饋系數(shù)，從而改變放大器的閉環(huán)增益。

　　程控放大器是在DSP的控制下，將初級放大的信號放大到ADC的轉(zhuǎn)化區(qū)間內(nèi)，以提高儀器的動態(tài)范圍和靈敏度。考慮到器件的低頻噪聲特性和提高共模抑制比等因素，選擇了PGA204、PGA205組合，其共模抑制可達(dá)120dB。本設(shè)計(jì)采用了兩級程控反向差分的方法，并且兩級程控放大采用直接耦合差動連接的方式。原理如圖3示。

　　圖3 兩級程控放大級聯(lián)原理圖

　　其中兩個級聯(lián)的級程控差分放大器由兩片PGA205實(shí)現(xiàn)，兩片PGA205的輸出分別作為PGA204的正負(fù)輸入端，于是就構(gòu)成了第二級程控差分放大器。PGA204的可控放大倍數(shù)為1，10，100，1000；PGA205的可控放大倍數(shù)為1，2，4，8。所以，級聯(lián)后程控放大部分的可控放大倍數(shù)可有16種組合方式。

　　陷波器設(shè)計(jì)

　　陷波器是一種諧振電路，或者說是一種自動開關(guān)的感應(yīng)器，在天線工程上應(yīng)用它可以根據(jù)信號的頻率，自動延長或縮短天線的長度。無線電接收機(jī)中專門用于消除某些無用信號以減小對有用信號的干擾的濾波器。

　　50Hz的工頻干擾是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可避免的，它會嚴(yán)重影響到前方和主放的穩(wěn)定性。所以此處利用高性能器件MC33171構(gòu)成50Hz陷波器，MC33171具有寬頻帶和較高的轉(zhuǎn)換速率。圖4為基于MC33171的50Hz陷波器電路，在圖示的元件數(shù)值下，通過改變兩個電阻R的值和一個電容C的值，可獲得陷波頻率，其數(shù)值為：f=1/4πRC。取R=16K，C=0.1μF可得陷波頻率為50Hz。

　　圖4 陷波器電路

　　A/D采樣設(shè)計(jì)

　　模擬信號--數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Conversion），簡稱A/D，內(nèi)部分采樣、量化和編碼三個部分。模擬信號和數(shù)字信號的主要區(qū)別是，數(shù)字信號在時間和幅值上是離散的，模擬信號在時間和幅值上是連續(xù)變化的，模擬信號可以通過模擬信號--數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

　　TMS320F2812的ADC模塊

　　德州儀器所生產(chǎn)的TMS320F2812 數(shù)字訊號處理器是針對數(shù)字控制所設(shè)計(jì)的DSP，整合了DSP 及微控制器的特性，主要使用在嵌入式控制應(yīng)用，如數(shù)字電機(jī)控制（digital motor control, DMC）、資料擷取及I/O 控制（data acquisition and control, DAQ）等領(lǐng)域。

　　TMS320F2812芯片中集成了一個12位A/D轉(zhuǎn)換模塊。為了滿足系統(tǒng)多傳感器的需求，F(xiàn)2812的A/D轉(zhuǎn)換模塊有16個通道，可配置為兩個8通道模塊，這樣就形成了兩個A/D轉(zhuǎn)換器。

　　F2812的ADC模塊是嵌入式的，它與傳統(tǒng)的A/D相比具有以下特點(diǎn)：A/D模塊的硬件資源配置好了之后，用戶可以用軟件指令隨時啟動A/D采樣，并獲得A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。同傳統(tǒng)A/D不同的是，采集功能單元的硬件資源配置還有一部分是通過軟件完成的。

　　在TMS320F2812芯片中，A/D轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路開關(guān)（MUX）、采樣/保持（S/H）電路、A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)核以及其他模擬輔助電路。A/D轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字電路包括可編程轉(zhuǎn)換序列器、結(jié)果寄存器、與模擬電路的接口等。圖5為ADC模塊的構(gòu)成框圖。

　　圖5 ADC模塊構(gòu)成框圖

　　ADC模塊功能包括：

　　1）內(nèi)置雙采樣/保持（S/H）的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，模擬輸入為0-3V。

　　2）同時或順序采樣模式。

　　3）快速轉(zhuǎn)換時間，可運(yùn)行在25MHz的數(shù)模轉(zhuǎn)換時鐘或12.5MSPS。

　　4）多輸入通道達(dá)16通道。

　　5）自動排序能力?？蓤?zhí)行多達(dá)16通道的“自動抓換”。

　　6）兩個獨(dú)立的可選擇8個模擬通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可獨(dú)立工作于雙排序器模式，或級聯(lián)后工作在可選擇16個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器模式。

　　7）可分別訪問的16個結(jié)果寄存器用來保存轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值可由下式得到：

　　其中，ADCLO是A/D轉(zhuǎn)換低電壓參考值。

　　8）使用多個觸發(fā)信號啟動數(shù)模轉(zhuǎn)換（SOC），比如：

　　S/W：軟件立即啟動。

　　EVA：時間管理器EVA（在EVA中有多個時間源可以啟動轉(zhuǎn)換）。

　　EVB：時間管理器EVA（在EVB中有多個時間源可以啟動轉(zhuǎn)換）。

　　9）在雙排序模式下，EVA和EVB觸發(fā)器可各自獨(dú)立的出發(fā)SEQ1和SEQ2。

　　10）中斷控制方式靈活，可在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束或每隔轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)出中斷。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D采樣設(shè)計(jì)

　　AD數(shù)據(jù)采樣與實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)給出了AD數(shù)據(jù)接收、采樣、存儲。天線接收到的信號，經(jīng)過信號斛析，得到了時間信息，產(chǎn)生數(shù)字信號，經(jīng)過30.69MHz 中頻調(diào)制，送入ad_transmit完戰(zhàn)AD采樣，存儲到嵌入在開發(fā)板上的blockram里面，可以通過FPGA調(diào)試工具chipscope來觀察AD采樣數(shù)據(jù)。該開發(fā)板上有嵌入的兩個AD數(shù)據(jù)接口（adc0，adc1），在本設(shè)計(jì)采用的是adc0。AD采樣是用Verilog代碼設(shè)計(jì)完成的，在ISE環(huán)境下仿真驗(yàn)證成功，掛載到OPB總線上。

　　本系統(tǒng)信號輸入設(shè)計(jì)為24路。DSP本身的A/D輸入通道是16路，所以要外接多路模擬轉(zhuǎn)換器進(jìn)行擴(kuò)展。在電路設(shè)計(jì)中，使用3條DSP的A/D輸入通道ADCINA0- ADCINA2，每一通道掛接一片8輸入1輸出多路模擬轉(zhuǎn)換器4051，這樣就可以擴(kuò)展為24路模擬信號輸入。為了減小信號通道之間切換帶來的串?dāng)_，需在通道切換后加放大器減小信號輸入阻抗，為了減小A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差，用兩路己知信號電平輸入引入信號參考，提高采集。

　　圖6展示了TMS320F2812內(nèi)嵌的A/D轉(zhuǎn)換模塊與輸入信號之間的接口。

　　圖6 A/D模塊與信號接口

　　對于每一個轉(zhuǎn)換，CONVxx位確定采樣和轉(zhuǎn)換的外部模擬量引腳。使用順序采樣模式時，CONVxx的4位都用來確定輸入引腳，位確定采用哪個采樣并保持緩沖器，其他3位定義偏移量。例如，如果CONVxx的值是0001b，ADCINA1就被選為輸入引腳。如果CONVxx的值是1111b，ADCINB7被選為輸入引腳 。

　　TMS320F2812 ADC的校正

　　理想情況下，F(xiàn)2812的ADC模塊轉(zhuǎn)換方程為y =x ? mi，x=輸入電壓×4095/3，y為輸出計(jì)數(shù)值。在實(shí)際中，ADC的誤差不可避免，定義有增益誤差和失調(diào)誤差的轉(zhuǎn)換方程為y=x ? ma±b，式中ma為實(shí)際增益，b為失調(diào)誤差。F2812的ADC理想狀態(tài)與實(shí)際轉(zhuǎn)換較差的主要原因是存在增益誤差和失調(diào)誤差，因此必須對這兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償。校正方法如下：選用ADC的任意兩個通道作為參考輸入通道，分別提供給它們已知的直流參考電壓作為輸入（兩個電壓不能相同），通過讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)換值，求得校正增益和校正失調(diào)，再利用這兩個值對其他通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高了ADC模塊轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)度。圖7顯示了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調(diào)。

　　圖7 理想轉(zhuǎn)換與實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換

　　TMS320F2812與PDIUSBD12接口設(shè)計(jì)

　　PDIUSBD12是一個性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統(tǒng)并與微控制器通過高速通 用并行接口進(jìn)行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實(shí)現(xiàn)一個 USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇合適的作為系統(tǒng)微控 制器，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使固件投資減到。這種靈活性減少了開發(fā)時間、風(fēng)險和成本， 是開發(fā)低成本且高效的USB外圍設(shè)備解決方案的一種快途徑。

　　TMS320F2812與PDIUSBD12之間采用并口連接方式，并且都工作在3V電壓下，給PDIUSBD12分配一個片選，可以通過讀寫地址對其進(jìn)行操作，它們之間的電氣連接不需要特殊處理，按照管腳功能一一對應(yīng)連接即可。圖8是TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖。

　　圖8 TMS320F2812與PDIUSBD12的硬件連接圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備，支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行的系統(tǒng)，是無需用戶干預(yù)的各種程序的集合，主要功能是調(diào)度，監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件使得計(jì)算機(jī)使用者和其他軟件將計(jì)算機(jī)當(dāng)作一個整體而不需要顧及到底層每個硬件是如何工作的。

　　該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以通過USB接口直接與PC機(jī)相連，在CCS集成開發(fā)環(huán)境下通過JTAG接口來調(diào)試、燒寫程序，可使用C語言來實(shí)現(xiàn)。

　　主程序流程

　　圖9是系統(tǒng)主程序流程圖。在系統(tǒng)上電之后，先對DSP的時鐘等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后對片上A/D、I/O、存儲器設(shè)備等進(jìn)行初始化，再對USB設(shè)備初始化，之后程序進(jìn)入循環(huán)等待主機(jī)通過USB口發(fā)送命令，然后對命令進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

　　A/D轉(zhuǎn)換流程

　　在使用TMS320F2812的內(nèi)嵌A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，首先對A/D進(jìn)行初始化，并且設(shè)置中斷程序入口地址，通過Timer中斷的配置控制采樣頻率。在開啟中斷后，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，它將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入數(shù)組Ad_data1[ ]中，并重新啟動A/D，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如此循環(huán)往復(fù)。流程圖如圖10所示。

　　圖10 系統(tǒng)程序流程圖

　　結(jié)束語

　　本文利用TMS320F2812與PDIUSBD12相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套三維感應(yīng)測井探測器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其接口電路簡單，采集高，可完成對24路通道的同時采樣和順序采樣，并且能對單通道實(shí)行多次采樣。系統(tǒng)還采用了USB接口，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過USB上傳到主機(jī)，由上層軟件進(jìn)一步處理，從而能夠更有效地測得油井中的油氣分布。