基于DSP的快速多通道数据采集板的设计电路板

基于DSP的快速多通道数据采集板的设计

基于DSP的快速多通道数据采集板的设计 2011： 摘要：本文介绍了一种以DSP器件为CPU的快速多通道数据采集板的硬件设计，和多通道数据采集软件的设计和实现。关键词：DSP A/D转换 多通道数据采集0 引言在电力系统故障录波装置的设计中，要求采集几十个通道的模拟量数据，同时为了提高分析的准确度，要求每个周波采集尽量多的数据，因此，必须提高CPU和A/D转换的速度，以适应这一要求，这就给选择CPU和A/D转换芯片提出了很高的要求。1 硬件设计A/D与CPU电路连接图如图1所示。其中D1为TI(Texas Instruments)公司TMS320F243器件，该芯片是TMS320家族的16位定点DSP控制器。TMS320F243芯片片内有双访问的RAM544字，8K字的Flash、32位的CALU、32位的乘法器、可寻址空间224K字、五个外部中断、三个定标移位寄存器、八个16位辅助寄存器、十二个PWM输出、8路ADC、三个 16位通用定时器、四个捕获单元、三个16位全比较单元、内部锁相环、廿八个可独立编程的多路复用I/O引脚、一个串行通讯口SCI、一个串行外设接口SPI、一个内置CAN接口。该芯片通过JTAG连接口（IEEE1149．1标准），可以在线编程。系统的外部晶体是5MHz，芯片内部具有4倍频功能，使系统工作在20MHz的频率上，系统指令多为单周期指令，因此CPU运行速度快；CPU内置看门狗（watch_dog），可有效地防止程序非法或走偏。

图1 A/D与CPU电路连接图

D2为A/D转换芯片，采用AD（Annalog Devices）公司的AD7865，图2为AD7865内部功能框图。MAX7865为十四位并行高速A/D转换芯片，最快采样速度为每通道2.4μS，四路同步采样输入，四个跟随/保持放大器，单电源工作，宽输入范围：最大为±10V，低功耗和输入过压保护等功能。AD7865通过编程可以设置一或最高至四通道的A/D转换，A/D工作时钟可以配置为内部或外部，连续转换时间仅0.35μS。

AD7865内部功能框图

D4、D5为多路开关。采用MAXIM公司具有双四选一功能的多路开关MAX4509。转换速度快，可达到几十ns。D3为三八译码器74ALS138。CPU通过D3编程对A/D转换芯片提供片选信号。在图1中，AD7865采用外部时钟工作，与CPU共用5MHz晶振。使用CPU的三个IO接口，其中IOPB0、IOPB1用于选择要转换的交流模拟量通道，通过D4、D5同时可以选择四个通道，进入AD7865。IOPB2连接AD7865的CONT，启动A/D转换；AD7865的BUSY连接CPU的XINT1，有信号后开始A/D转换。D3是一三八译码电路，通过连接多片AD7865的片选CS端，可以扩展更多的交流模拟量通道，即每增加一片AD7865，可以增加16路交流模拟量通道。D3由CPU的地址总线控制，通过DSP的IO存储空间对AD7865读写数据。2 软件设计根据实际的设计要求，交流模拟量输入通道使用64个，数据采样点数为每周波100点，即每20ms要求采样100点，也就是每200μs要求采样1点，64个通道就要求在200μs时间内采样64点。因此，设计中使用的4片A/D转换芯片，考虑到采样时间以及尽量减少由于时间延迟造成的交流通道之间的相角差，在输入的交流通道上将每条线路电流和母线的A相、B相、C相、N相分别接入四片A/D转换的同一通道。在软件设计中，由于实际的设计只要求对交流通道进行采样，而启动后的A/D转换BUSY信号连接于DSP的外部中断脚XINT1，所以，数据采样的工作由中断采样程序来完成。主程序在对DSP寄存器初始化，包括IO口寄存器的配置、看门狗、事件管理器的定时器T2配置，清内部和外部RAM，初始化配置AD7865转换通道数，开中断后，进入循环，等待中断，如图3所示主程序流程。

图3 主程序流程 图4 200μs中断程序流程

这里使用了两个中断响应程序，T2定时中断程序和XINT1外部中断响应程序。T2定时中断程序，用于定时启动A/D转换，这样一来，为200μs定时中断；由于A/D转换BUSY信号连接于DSP的外部中断脚XINT1，因此，读取数据的工作就由XINT1的外部中断响应程序来完成。而一次启动A/D转换，只能读取16个模拟通道的数据，要在200μs时间内采样64点，就要求启动A/D转换四次，其中的一次已经在T2定时中断程序中已启动，另外三次交由XINT1的外部中断响应程序来启动。因此，XINT1的外部中断响应程序既要完成A/D转换读取数据的工作，还要进行通道转换和其它三次启动A/D转换的工作，并且这一工作要在200μs时间内提前完成。图4为200μs中断程序流程，图5为XINT1中断程序流程。

3 结束语在通道选择的硬件和软件设计中，尽管已经考虑到多个通道采样，可能还会存在的相角差，但是，设计的结果中对于64个交流采样通道仍存在最大1.2º 的相角差，而数据采集板由于要求的采样速度的限制，不可能在主程序中进行补偿，因此，这一工作将由故障录波分析站来完成。不过，对于相角要求不高，或者通道较少的采样板，仍是一种不错的设计。【参考文献】[1]Annalog Devices AD7865数据手册[2]Texas Instruments TMS320F243/F241/C242 DSP Controllers Reference Guide 1999(end)

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