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1、基于基于 DSPDSP 的高速高精度数据采集系统的高速高精度数据采集系统_ _曹家胜曹家胜自控与测量 AU 刀 Q 几胡刀 O 八凌 A 任沮 SU 况乙材 ENT基于 05 户的高速高精度数据采集系统DSPBasedHighSPeed浮点放大;DsP弓 l 言数据采集系统中 A/D 转换器的量化位数决定了系统的精度。有时也用信号的动态范围来衡量一个数据采集系统,它是指系统允许的最大输人信号幅值与能分辨的最小信号幅值之比。为了提高精度可以增加A/D 的量化位数,但有时即使选用位数较高的 A/D也难满足系统的要求,例如地震信号采集中,要求系统的动态范围达到 120dB 或 150dB 以上,这时
2、就很难通过增加 A/D 转换位数来采集了,并且高位数的 A/D 价格昂贵。浮点数据采集很好的解决了这一问题。AAAAAAAAAAAAAAA 汇)处处数数控变增增增增增增增增理理益益电路路路路路路路路器器噜噜噜噜噜噜噜噜益控控控控制制电路路路路图 7 浮点为乞走数据采集原理浮点放大及浮点数据采集浮点数据采集就是利用浮点放大技术,先对输人信号进行适当的放大,然后再对放大的信号进行 A/D 转换,其基本原理如图 1 所示。在图中,浮点放大电路不同于一般的程控放大器,它对于不同的转换点,放大的倍数是不同的,或者说放大倍数是浮动的。浮动的放大倍数称为“阶码”,A/D 转换的结果称为“尾码”,这样一个转换
3、点的数值就由“阶码”+“尾码”组成,它很类似计算机中的浮点数表示,因此称为“浮点”放大和“浮点”数据采集。在浮点数据采集系统中,若 A/D 的转换位数为 N,浮点放大器放大倍数范围为 K“,K,KL 一,且有:KlKZ,二KL这里的 K 卜为浮点放大器的最大增益,则浮点数据采集的分辨率为:lKL(ZN 一 1)当于一个 24 位 A/D 转换器的量化效果。利用浮点放大方案,一方面扩大了动态范围,另一方面又保证了进入 A/D 转换器的模拟信号幅度几乎总是处于半量程范围内,因而量化的信噪比近似保持一致。高速浮点增益调整浮点式 A/D 转换的关键问题是需要解决浮点放大的增益调整。有多种具体实现浮点数
4、据采集电路的方法。如:利用模拟开关和电阻网络实现浮点 A/D 采集、利用单片集成数控增益放大器实现、使用高速 A/D 进行浮点增益调整、利用比较器实现浮点增益调整等等。为了获得较高的转换速度,可以考虑采用高速A/D 进行浮点增益调整。本电路利用 D/A 里面的电阻网络来实现数字增益调整。原理图如图 2 所示。该电路工作的原理是:模拟信号送人高速的 8 位D/A 转换器的同时,还送给一个高速的 8 位 A/D 转换器,该 A/D 转换器的输出经编码后控制模拟开关通常,取 K 一 2,则此时的动态范围 DR 可以用下式计算:DR=20192,汁闪=6.02(L+N)(dB)式中 L 为浮点放大器的
5、等效位数(级数),N 为 A/D 转换器的位数。若取 L 一 8,N 一 16,则可得到一个动态范围 DR=6.02(L+N)=6.02x(8+16)、144,相888 位高速 D/AAAAAAAAAAAAAAA 直直直直流放大大333 位高速八勺勺勺勺勺勺勺勺勺勺 16 位位编编编编编编编编编编码器器器声以 LLL,图 2 高速月风索调整厉剩里5O雷子度品界2001,” “自控与测量选择最佳的增益输出,控制 D/A 浮点放大输人信号。数据处理和存储模块在后一级 A/D 转换完毕后,连同编码器的输出(增益码)一起送入存储器中。D/A 浮点放大原理:设模拟多路开关的增益输出为 D,则U。=Ure
6、f*D=Uref(2 一a,+2 一 2a2+。二+2 一”a、)8一 Uref 手 2 一 al这里选 Uref 为输人信号,U。为浮点放大后的信号。则模拟开关输出为 0 叶 I,olH,02H,04H,08H,10H,ZOH,40H,SOH 时正好为 2 的幂次,实现 K 一 2 的浮点放大。即当输入信号小于次级 A/D 转换电压时,浮点放大输人信号,直到信号落人次级 A/D 转换器半量程范围。实现浮点放大利用的是 D/A 中高精度的电阻网络。因为 D/A 中的电阻网络是 2 的负幂次,故在浮点增益调整后加一级直流 256 放大,以真正放大输入信号,这里采用多级集成放大器实现。为了减小系统
7、的复杂度,图中的译码器和编码器采用可编程器件 ispLSI 实现。ispLSI 为在线可编程器件,实现简单,可在线编程,改变功能逻辑。AU 刀旦胭只刀 O 入凌了石姓 SU 况乙甘五阿 TTMS320C62ol 具有丰富的指令,并;工使用 C 语言进行开发,高效的流水线操作和灵活的寻址方式使处理器运算能力得到充分的发挥。基于 TMS32oC6201 的 24 位数据采集系统基本结构如图 3 所示。信号调理模块对输入信号进行前置放大和抗混叠滤波,放大(进一步扩大动态范围)。经过调理的信号送入浮点数据采集模块,本系统采用两路 DMA 通道传输采集数据:一路传输增益码、一路传输次级 A/D 转换的尾
8、码,两路独立传输。存储模块为大容量(可根据需要灵活配置),以满足野外工作需要。使用电信信号调理理理浮点数据采集集集集集集集存存存存存存存存存存存存存存存存储器器电电源源源源源源源ccccccccccccccc6201 处理器模块块液液晶显示示示示示示示示示示通通通通通通通通通通讯棋块块图 3 基于刀侧32Oc6201 的浮点数据采集索统框图签于 osp 的 24 位数据采集野外勘察要求仪器轻便,功耗低,实时测量要求仪器处理能力强,同时由于野外工作的特点,一次要求能采集一个或一个工作日以上的数据。基于便携、低功耗、处理能力和数据存储能力的要求,采用高性能数字信号处理器 TMS32OC62OI 作
9、为仪器的核心。TMS32OC6201 是 Tl 公司推出的新一代高性能定点数字信号处理器,该处理器采用 50、100MHz 的工作频率,经内部倍频后升至 ZOOMHz,每秒可完成1.6G 次操作,其内部含有具备超长指令字处理能力的 CPU 和 8 个功能单元,故它可在一个时钟周期执行 8 条指令。TMS320C6201 硬件资源丰富,其地址总线为 32位,寻址范围达 4GB,存储器空间分为四部分:片内程序空间(包括 Cache)、片内数据空间、片外存储空间和外部外围设备空间,可通过 BOOTMODE 引脚灵活设置各空间的地址范围。分开的程序总线、数据总线和 DMA 总线取指、读写数据和 DMA
10、 操作可以并行工作。其外围设备包括 DMA 控制器、主机接口(HPI)、中断选择等。DMA 控制器允许数据传输在CPU 操作的后台进行。C62OI 的 DMA 有四个独立的可编程通道,可以进行四个不同的 DMA 操作,每个通道可根据需要传输 8、16、32 位数据。池供电。通讯模块提供 RS 一 232 标准接口和室内 PC机通讯,将经过预处理的采集数据发送给 PC,进行进一步的解释处理。结语本文介绍了浮点放大和浮点数据采集的原理,并提出了一种具体的实现 24 位浮点数据采集的方案,该方案利用高速 A/D 进行浮点调整,高速 D/A 进行浮点放大,具有电路简单,高速的特点。利用TMS32OC6
11、2OI 强大的处理能力,可以使本系统具有便携、低功耗,实时处理的特点,适合野外勘察的需要。在浮点放大中采用流水线技术可以进一步提高采集速度。.参考文献林君,程德福微型计算机卡式仪器原理、设计与应用北京二国防工业出版社,。肠2 沈兰荪高速数据采集系统的原理与应用北京:人民邮电出版社,!995乙 S 七 evenW3m 一七卜 T 卜 eSeen 七 l 弓七 and 任 ngrnee 尸3Gu!detoD191 七己 15!gna!Process!ng,ea!rforn 一己 Tee 卜 n!cal 尸 u 匕s卜ng,19974TTMg320e6201Tec 卜 nlea日一 ef,oc 七,199 了5TlTM332Oe6201F 厂 odue 七尸 revzewoe 七 199752雷子走品界2001,” ”
