利用DSP和USB的三維感應(yīng)測井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集是DSP最基本的應(yīng)用領(lǐng)域，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。該芯片的主要特點(diǎn)有：150 MI/s（百萬條指令/秒）的執(zhí)行速度使得指令周期減小到6.67ns，從而提高了控制器的實(shí)時控制能力；采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有高性能的32位的CPU，在一個周期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)32位×32位或兩個16位×16位的乘法累加操作，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；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。將USB協(xié)議應(yīng)用于以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)，可以大大提高DSP系統(tǒng)與計算機(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
　　
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)的核心。在基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，選用了芯片嵌入式的ADC模塊。



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
　　
由于本采集系統(tǒng)用于三維感應(yīng)測井中，它對信號采集的精度要求高，因為被采信號頻率較高，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
　　
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。因為它所產(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、計算并設(shè)計電路。目前，可用噪聲指標(biāo)比較好的集成電路來設(shè)計低噪聲放大電路。
　　
由于測井時被采信號一般為微伏級，因此本設(shè)計采用INA128儀用差分放大器，它的最大輸入失調(diào)電壓為50μV，溫度系數(shù)為0.5μV/℃，最大輸入失調(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，在1腳和8腳之間外接不同的電阻R，電壓增益可以在0-10000的范圍內(nèi)變化，其計算公式為。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)計帶通濾波器
　　
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
　　
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，其共模抑制最高可達(dá)120dB。本設(shè)計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)的第一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
　　
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
　　
TMS320F2812的ADC模塊
　　
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。在內(nèi)部邏輯的控制下，用戶可同時啟動這兩個或是其中某一個A/D轉(zhuǎn)換模塊。
　　
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。一次可執(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)束或每隔一次轉(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
　　
本系統(tǒng)信號輸入設(shè)計為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，提高采集精度。
　　
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，最高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的精度校正
　　
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)換精度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
　　
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
　　
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，采集精度高，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。