基于ADS1255的地震信息采集模塊設(shè)計

1 引言

??? 基于震前電磁波異常的客觀事實，地震預(yù)報中，利用電磁輻射異常所具有的短臨反映能力，能夠正確采集臨震電磁信息，從而在地震預(yù)報起著重要作用。本文提出一種基于ADS1255的地震信息數(shù)據(jù)采集模塊的解決方案。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

??? 該地震信息采集模塊的主采集控制器選用高性能數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F2812。該器件特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。在地震信息采集模塊中，TMS320F2812主要負責控制ADS1255以及濾波處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖1為地震信息采集模塊設(shè)計框圖。

??? 由于該信息采集模塊采用SPI總線與A／D轉(zhuǎn)換器通信，因此，當需擴展為4通道時，只需用TMS320F2812的4個I／O端口作為ADS1255的片選端即可，而SPI的時鐘線和數(shù)據(jù)線均可共享。為了提高數(shù)據(jù)的可靠性與精度，需對A／D轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)?4位數(shù)據(jù)進一步濾波。考慮到濾波時DSP需處理大量數(shù)據(jù)，因此通過TMS320F2812自帶的外部存儲接口擴展512 KB的RAM，作為該系統(tǒng)程序運行的數(shù)據(jù)空間。此外，TMS320F2812的串口A與串口型的GPS模塊相連，用于整個信息采集模塊的授時時鐘。為使A／D轉(zhuǎn)換器采樣準確可靠，DSP與A／D轉(zhuǎn)換器采用獨立的電源系統(tǒng)，SPI信號線均需通過隔離電路進行隔離。

2．1 ADS1255電路設(shè)計

??? ADS1255是一款高性能的A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成多路選擇開關(guān)(MUX)、可編程增益控制器(PGA)、四階△-∑調(diào)制器、可編程數(shù)字濾波器等，具有極低的噪聲，可滿足高精度的測量要求。ADS1255能夠接收輸入幅度為0～5 V的信號，若超出該范圍，器件將損壞，因此，若需采集的信號不在該范圍內(nèi)，首先需將其線性變化為0～5 V之內(nèi)，才能輸入到ADS1255。

??? 圖2為ADS1255的應(yīng)用電路。輸入信號首先經(jīng)過由R3、R4、R5組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，可將-10～+10 V的信號轉(zhuǎn)換為0～5 V。ADS1255可配置成一個差分輸入或兩個單端輸入，因此，該設(shè)計采用差分輸入方式測量單端輸入。其實現(xiàn)方法比較簡單，需采集的信號輸入到ADS1255差分輸入的正端AIN0，參考電壓2．5 V輸入到差分輸入負端AIN1，同時需設(shè)置ADS1255內(nèi)部的PGA=2。這樣可提高ADS1255的輸入動態(tài)范圍。

2．2 參考電壓電路設(shè)計

??? 該信息采集模塊采用獨立外部參考電壓器件REF5025提供2．5 V的參考電壓，該器件具有低噪聲，低漂移，高精度等特性，特別適用于16位以上的A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。圖3為基于REF5025的參考電壓緩沖電路。

2．3 SPI接口隔離電路的設(shè)計

??? 該信息采集模塊的隔離電路采用專門的隔離器件ADUM1402實現(xiàn)，該器件是ADI公司生產(chǎn)的基于磁耦隔離技術(shù)的通用型四通道數(shù)字隔離器。磁耦隔離技術(shù)是一種基于芯片尺寸的變壓器隔離技術(shù)，而非傳統(tǒng)的光電耦合器所采用的發(fā)光二極管與光敏三極管的組合。由于其取消了光電耦合器中影響效率的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因此其功耗僅為光電耦合器的1／10～1／6，同時具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力。圖4為ADUM1402的應(yīng)用電路。

3 采集模塊軟件設(shè)計

??? 由于ADS1255采用的是△-∑結(jié)構(gòu)，因此其上電后就開始以FCLK／4的固定速率調(diào)制輸入信號，然后以默認30 kb／s(晶振為7．68 MHz時)的速率更新其內(nèi)部的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器。上電后，TMS320F2812首先要對ADS1255進行相應(yīng)設(shè)置，如設(shè)置PGA，ADS1255轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出速率，選擇輸入通道號，以及當完成上述設(shè)置后需要進行相應(yīng)的自我校驗。圖5為該地震信息采集模塊的主程序流程。該地震信息采集模塊在進行多通道數(shù)據(jù)采樣時，首先切換到通道1并進行第1次轉(zhuǎn)換，等到轉(zhuǎn)換結(jié)束后，再次啟動轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取ADC結(jié)果。然后切換到通道2并進行第2次轉(zhuǎn)換，操作過程與通道1相同，依次再切換到通道3，4，…最終完成所有通道的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)對ADS1255主要操作有：設(shè)置其寄存器，讀取其寄存器以及向其發(fā)送命令(包括讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的命令)。

4 結(jié)束語

??? 將該模塊實際應(yīng)用于臨震電磁信息采集系統(tǒng)中，采用4片ADS1255采集地震計傳輸?shù)某皖l的東西、南北方向信息以及點頻的東西、南北方向地震信息，DSP輪流采集上述4通道信號，經(jīng)過濾波后通過串口發(fā)送給上位機顯示。在實際應(yīng)用ADS1255時，需要注意以下問題：

??? (1)每次設(shè)置過ADS1255的數(shù)據(jù)輸出速率、改變PGA或者改變輸入通道后均需要發(fā)送校驗命令給ADS1255，以此消除ADS1255的偏移誤差和增益誤差。當每次上電以后，建議發(fā)送ADS1255自我校驗命令。

??? (2)PCB布線時，注意將ADS1255數(shù)字地與模擬地采用同一個地，同時避免數(shù)字噪聲器件使用該地，如微處理器。同時，必須給ADS1255的數(shù)字電源與模擬電源輸入端并聯(lián)一只小陶瓷電容和大鉭電容。

??? (3)參考電壓對A/D轉(zhuǎn)換器性能至關(guān)重要，若采用外部參考電壓，需保證其極低的溫漂和噪聲，特別是在低采樣速率的情況下,參考電壓電路需特殊處理，以此保證轉(zhuǎn)換性能。