多通道同步采样数据采集系统研究.pdf

No 4 Aug ， 2 0 0 6 微处理机 MI CROP ROC ES S ORS 第 4期 2 0 0 6年 8月 多通道同步采样数据采集系统研究 山 昆， 刘建业， 赵伟 ， 祝燕华 ( 南京航空航天大学自 动化学院导航研究中心， 南京 2 1 0 0 1 6 ) 摘要： 研制了以同步采样芯片M A X 1 2 5为 A D采样芯片、 定点D S P芯片T M S 3 2 0 F 2 0 6为主 处理器的低成本数据采集系统。该系统充分利用了M A X 1 2 5采样精度高、 高速同步工作的特点， 使 用运算速度较高的F 2 0 6同时控制多片M A X 1 2 5来达到多通道同步高速采样的目的。论文首先进 行 了系统的总体设计， 然后重点进行 了快速同步采集模块的硬件和软件设计， 并对系统的同步采样 率进行了分析； 最后对该数据采集系统在实际工程中进行了应用， 结果表明该系统在精度、 采集速 度和同步采样方面具有良 好的性能， 且结构简单， 成本低廉， 具有很好的应用前景。 关键词 ： MA X 1 2 5 ； D S P ； 数据采集 中图分类号 ： T N 4 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 2 2 2 7 9( 2 0 0 6 ) 0 4 0 0 2 00 3 Re s e a r c h o n Mu lt ic h a n n e l s Sy n c h r o n o u s Da t a Ac q u i s it io n Sy s t e m S HAN Ku n， L I U J i a ny e ， Z HAO We i e t a 1 ) N a v i g a t i o n R e s e r c h C e n t e r ， N a m i n g U n i v e r s i t y o f ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ，the l o w c o s t d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m tha t u s e s s y n c h r o n o u s s a mp l i n g c h i p MA X1 2 5 a s A D s a mp l i n g c h i p a n d f i x e dp o i n t DS P c h i p T MS 3 2 0 F 2 0 6 a s ma i n p r o c e s s o r i s d e v e l o p e d I n thi s s y s t e m， t h e h i g h p r e c i s i o n，h i g h s p e e d a n d s y n c h r o n i z a t i o n o f MA X1 2 5 a r e f u l l y u s e d a n d O 6 wi th h i g hs p e e d o p e r a t i o n c o n t r o l s ma n y MAX1 2 5 c h i p s s i mu l t a n e o u s l y t o a c h i e v e mu l t i c h a n n e l ，s y n c h r o n o u s a n d h i g hs p e e d s a mp l i n g I n thi s p a p e r fi r s t the o v e r a l l d e s i g n o f the s y s t e m i s i n t r o d u c e d wi th t h e f o c u s e o n the d e s i gn o f h a r d wa r e s a n d s o f t wa r e s o f hilg hs p e e d s y n c h r o n o u s mo d u l e s An d the s y n c h r o n o u s s a mp l i n g r a t e i s a n a l y z e d 1 a s t l y ， t h i s d a ta a c q u i s i t i o n s y s t e m i s e m p l o y e d i n p r o j e c t s A n d the r e s u l t s h o ws tha t thi s s y s t e m i s o f fi n e p e r f o r ma n c e i n p r e s i t i o n，h i g hs p e e d a n d s y n c h r o n o u s s am p l i n g p l u s i t s s i mp l e d e s i gn a n d l o w c o s t T h i s s y s t e m wi l l h a v e p romi s i n g p r o s p e c t Ke y wo r d s ： MAX1 2 5； DS P； Da t a a c q u i s i t i o n 1 引 言 在多路故障诊断和分析的研究中， 需要多通道 同步高速数据采集与处理单元； 而 目前在市场上出 售的高速多通道 A D采集卡， 其采样频率可达 2 0 M H z ， 但采集数据时需多通道依次切换 ， 分时采集 转换， 且在通道切换时， 被切换到的通道信号在 A D采集前还需要一段稳定时间， 因此采集到的数据 不能满足同步的要求， 同时大大降低了采集速度； 较 好的具有同步采集功能的采集卡普遍通道较少， 不 能满足多通道的要求， 并且市场上较少， 价格非常昂 贵， 一般每块采集卡都要上万元； 而高速示波器、 通 用虚拟仪器的采样速率虽然能达到上亿次每秒 ， 分 辨率较高， 但往往采样通道数较少， 并且同步功能较 差 。因此这些仪器或者采样精度不够， 或者采样 通道数不够， 或者没有同步采样， 都无法满足一些需 要高速多通道同步采集数据方面的要求。为此 ， 我 们研制开发了用于多通道高速信号采集和分析的数 据采集系统， 该系统以 M A X I M公司出产的高速多 通道同步采样芯片 MA X 1 2 5为 A D采样芯片， T I 公 司出产的定点 D S P ( T M S 3 2 0 F 2 0 6 ) 为核心 C P U ， 充分 利用 D S P的高速运算能力， 同时控制多片M A X 1 2 5 ， 来满足多通道同步采集的要求。 2 数据采集系统设计 如图 1 所示， 整个系统主要 由数据采集模块、 D S P以及上位机通讯显示模块几部分构成。其中数 据采集部分是由D S P控制驱动多片 A D转换器进 行同步采样工作， D S P的地址总线通过一片三 八译码器依次选通每片 A D转换器， 配合读写控制 作者简介： 山昆( 1 9 7 4 一) ， 男， 山东省青岛市人， 硕士研究生 ， 主研方向： 精密仪器及机械。 收稿 日期 ： 2 0 0 41 22 5 维普资讯 4 期 山昆等： 多通道同步采样数据采集系统研究 2 1 信号来实现对 A D转换器读写 以及编程操作 ； D S P 通过 C O N V S T信号线 同时启 动 A D转换 器进行 同 步采样工作； 采样结束后通过 I N T信号线触发 D S P 外部中断， 由 D S P来读取数据采集模块的采集数 据。整个系统对外可提供 2 X 1 6路的 A D转换通 道。同时， 由于需要存储和处理大量采集到的数据， 在 D S P 部分外接了 S R A M作为外部存储器。为了 满足实时监视、 实时控制的需要， 在数据采集板上还 扩展了R S 2 3 2接 口， 便于 P C机通过 R S 2 3 2接 口与 数据采集系统通信； 采集到的数据经过 D S P的处理 既可以通过 R S 2 3 2 接 口上传给 P C机， 也可以通过 液晶显示器直接显示出来。 图 1 系统结构示意图 2 1 数据采集模块与 D S P接口控制电路 针对快速高精度采样工作的要求， 系统选用了 多路同步 A D转换芯片 M A X 1 2 5作为 A D转换芯 片。M A X 1 2 5 是一款带同步跟踪 保持( T H) 的高 速2 X 4通道 1 4位同步采样数据转换芯片。该芯片 的每个通道转换时间仅为 3 微秒， 而精度可达到 1 4 位 ， 且可 以实现 2 X 4个通道 同时采样 ， 同时具有较 高的采样速率， 在单通道工作时可达到 2 5 0 K S P S ， 双 通道同步采样时采样速率为 1 4 2 K S P S ， 四通道同步 采样时采样速率为 1 0 0 K S P S ， 八通道同步采样时采 样速率为7 6 K S P S - 2 j 。因此该芯片特别适用于较高 精度较高速率的多通道同步采样场合。本系统选用 该芯片可以满足系统设计的要求。 实际工作中， 单片 M A X 1 2 5的通道数往往还不 能够满足某些场合多通道采样的要求， 因此本系统 根据 M A X 1 2 5的工作特点， 选择运算速度较快 的 D S P芯片做为 C P U ， 同时控制多片 M A X 1 2 5 ， 共同组 成数据采集模块来满足实际需要。根据系统的实际 需求， 选用了性价比较高的美国德州仪器( T I ) 公司 生产 的 1 6位定点 D s P T M s 3 2 O F 2 O 6 ( 以下简称 F 2 0 6 ) 做为整个系统的 C P U 。该芯片采用高性能静 态 C M O S 集成电路工艺制造， 结构是以T M S 3 2 0 C 2 x x 系列为基础， 运算速度较快( 可达 4 0 M I P S ) ， 功能较 强， 价格适宜， 源代码与 C 1 X 、 C 2 x 兼容， 且与 C 5 x 向上兼容 ， 非常适合于不太复杂计算的系统需 求。 本系统选用 F 2 0 6来 同时控制 四片 MA X 1 2 5 ， 两 者之间主要通过使用三八译码器来完成同步采样协 调工作。其接口控制电路图设计如图2 所示。 图 2 D S P与 b i A X 1 2 5接 E l 控制电路示意 图 D S P的地址线 A 1 3 、 A 1 4 、 A 1 5通过一片三 连续对设定好的各 自信号通道数进行 A D转换， 每 八线译码器7 4 A C 1 3 8进行译码 ， 译码后 的Y 0和四 一片M A X 1 2 5的I N T信号在最后一个通道转换完毕 片M A X 1 2 5的C O N V S T端相连 ， 其余的 Y 1 一 Y 4分 时发出， 系统 C P U可 以根据 I N T信号变化读取结 别与四片 MA X 1 2 5的 C S端相连 ， MA X 1 2 5的数据总 果。 线以及读写控制信号线也分别与 D S P相应的控制 上述控制方式的软件编程如下： 端口连接， 四片 M A X 1 2 5的转换结束中断输出引脚 a s p c r =0 x e 0 0 0 h ； 设置异步串行 口控制寄存 分别接在 D S P上 的 I O 口上。这样 ， 在同一个 器， 定义 I O 0 I O 1 为输入方式 C O N V S T信号脉冲作用下， 四个 M A X 1 2 5芯片同时 i o s r = 0 x O 0 f 0 h ； 维普资讯 2 2 微处理机 2 0 0 6盔 a s m( ” c l r c I N T M” ) ； i o po r t u n s i g n e d p o r t l f ff h； #d e fi n e C O N V S T p o r t l f f f ； 定义 C O N V S T信号的 输入端口 CONVS T =3； 中断响应程序： v o i d C i n t l () 依次读取 4片 MA X1 2 5的采样结果 o u t p o r t (0 x 3 f f f h ， 0 x 0 0 h ) ； in p o ( 0 x 3 f f f h ， & A D D a t a 1 ) ； in p o r t ( 0 x 3 f f f h ， & A D D a t a 2 ； o u t p o r t ( 0 x 5 f f f h ， 0 x 0 0 h ) ； in p o r t ( 0 x 5 f f f h ， & A D D a t a 5 ； i n p o r t ( 0 x 5 f ff h ， & A D D a t a 6 ； l f 2 2 多通道数据同步采样率分析 单片 M A X 1 2 5四通道同步采样率是 7 6 K ， 系统 C P U同时驱动四片 M A X 1 2 5 ， 在依次完成中断响应 以及 读 取 数 据 时 会 延 时 一 段 时 间。而 F 2 0 6和 M A X 1 2 5 都是高速设备， D S P的指令执行时间和从 M A X 1 2 5 获取数据的时间都是几十纳秒， 同步采样 工作依然可以达到很高的采样率。如果系统编程设 定每片 M A X 1 2 5为 4通道同步采样， 那么在 C O N - V S T启动信号的作用下， 芯片对输入信号的采样保 持时间约为 l 微秒， 4通道的A D转换时间为 l 2 微 秒， 从采样工作开始到A D转换结束输出 I N T信号 给 D S P ， 一次工作周期共需要 l 3微秒的时间； 从 D S P中断响应到读取4片 M A X 1 2 5的数据时间最多 只需要 l 微秒。由上分析可知， 整个系统的一次数 据采集周期最长为 l 4微秒， 即同步采样率可以达到 7 l K ， 这样可以满足绝大部分场合采样速率的要求。 2 3 数据存储分析和上位机通讯模块 F 2 0 6芯片内自带4 5 K字节的R A M和 3 2 K的 F L A S H， 其中一部分用来运行程序， 另外一部分可以 用来存储临时数据。在数据采集量 比较多的情况 下 ， 片内的 R A M存储器存储 容量不能满 足实 际数 据存储的要求， 因此采集板上还扩展了两片存储器 S R A M。采 集 板 上 使 用 的两 片 S R A M 芯 片 为 C Y 7 C 1 0 2 1 ， 此芯片是 C p r e s s 公 司生产 的 l 6位 6 4 K 字节的静态 R A M存储器， 使数据存储空间扩展到 6 4 K ， 可以满足大多数情况下数据采集任务的要求。 M A X 1 2 5芯片在不同应用场合的采样数据读人 到 R A M后， 可以根据实际的采样数据特点， 在 D S P 里编写快速傅立叶分析程序， 或者直接加载相应的 数据分析软件对数据进行分析处理 。为了适应某些 场合的实时操作和实时监控需要， 采集板上扩展了 R S 2 3 2接口用于和上位机电脑通信， 接收上位机电 脑发出的读信息命 令、 数据删除命令 和其它控制指 令 ， 并通过该串行口向上位机电脑传送数据。此外 还扩展了液晶显示器来实时显示相关数据的处理结 果、 监视数据采集系统的工作状态等，便于现场使用。 3 同步采样数据采集系统的应用 本系统已经成功用于多路故障诊断和分析的不 同场合， 以在多路数据信号采集同步相位比较和多 路信号的谐波分析应用为例， 使用本系统可以根据 具体情况， 提供相应的通道数， 进行 A D转换， 来满 足实际需要。在维护发电机的电压恒定过程中， 需 要采集交流电 U a 、 U b 、 U c ， 定子交流电流 I a 、 I b 、 I c ， 转子电流等模拟量。根据信号彼此之间的相位关系 和大小， 来准确测量有功及无功， 应用本系统的多路 同步采样功能可以获得所需的信号。另外在对三相 电路连接的避雷器泄漏电流采集过程中， 通过对三 相电路连接的 M