一种基于TMS320F2812 DSP的传感器信号采集电路设计

针对工业环境下智能隔振装置中信号类型多样、极性、幅值大小不同，须综合运用多种类型传感器的情况，介绍了一种基于TMS320F2812 DSP的信号采集系统设计与实现。详细给出了系统信号调理电路的接口设计，A/D转换模块的设计要点，同时讨论利用TI公司针对C2000系列提供的用于数字滤波的库文件（filter.lib），以及MATLAB的滤波器设计和分析工具FDAtool，在DSP中实现FIR数字滤波的方法。

DSP信号采集滤波

1引言

传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特性，在工业现场或科研实验中，常常需要通过各类传感器采集如：温度、压力、位移、速度、加速度等物理量信号，并及时进行分析处理，以便进一步实施控制。TI公司的TMS320系列的C2000芯片是专为工业自动化和传感、测量、控制而设计的，能以数值计算的方式对信号进行采集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便于应用的目的。本文针对一个工业现场智能隔振装置中信号类型多样、极性、幅值大小不同的情况，设计基于TMS320F2812DSP的信号采集系统，实现多路信号的高速采集和处理。

2信号调理电路设计

系统硬件设计以TMS320F2812为核心，利用运放升压电路和仪表放大器将传感器信号进行调理，以符合模数转换器件的工作范围。

2.1电流信号调理电路设计

仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件（运算放大器）基本相同，它们在性能上与标准运算放大器有很大的不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反馈网络决定；而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑制比（CMR）。它们通常不需要外部反馈网络。

4mA～20mA电流传感器的信号是单端的，这一开始就提出了需要一只简单的分流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC的高阻抗模拟输入端。为减少由线路电阻引起的，与电流相关的失调误差，增强抗干扰能力，采用了差分输入方式检测电流信号，经仪表放大器隔离放大，加到ADC输入端。在本系统中，一只24.9Ω 的分流电阻器在AD627的输入端产生介于100 mV（对应4mA输入） 与500 mV（对应20mA 输入）之间的最大差分输入电压。在不存在增益电阻器的情况下，AD627 把 该500 mV 输入电压放大5倍达到2.5 V，即ADC 的满度输入电压。图1为系统对4mA～20mA电流型传感器的信号采集电路。

2.2电压信号调理电路

电流型传感器的信号是通过上述仪表放大器调理电路转化为电压信号的，电压型传感器信号可以直接通过运算放大器输入到DSP的A/D模块，由于F2812的ADC模块要求0～3V的模拟输入电压，为使电平匹配及保护DSP片内的A/D模块，必须在DSP的A/D模块前加一个电压转换电路，将双极性电压转换到以ADC半量程为中心的单极性电压。对于±1V双极型电压，通过一个运放组成的加法器，调整ADC输入电压范围在0.5V～2.5V。如图 2所示，在输入信号上叠加一直流分量，直流分量的大小可由电位器R5来控制，这样通过调节电位器必然可使输入到DSP A/D模块的信号在0.5V～2.5V内。

3 A/D转换模块

电流型传感器信号是通过上述仪表放大器调理电路转化为电压信号的，电压型传感器直接通过运放加法器（如OP07DP）进入ADC模块。经调理的模拟量送DSP控制器内置的12bit A/D转换模块，同时通过校准电路提高采样精度。采集数据的存储、分析和处理由DSP完成。

3.1 F2812内置 A/D转换器特性

本系统采用TMS320F2812 DSP芯片内置12bit A/D转换器，其前端2个独立的8选1多路切换器和双采样/保持器，构成16个模拟输入通道。通道在数量上能够满足系统传感器个数要求，且留有余地；传感器信号刷新频率较低，最大不超过10kHz，F2812内置ADC在25MHz的ADC时钟下采样频率可达12.5MSPS，显然能满足要求；12bit ADC在3V满输入范围下，具有0.7326mV（3V/4095）极限分辨率，考虑到在上述调理电路中，3V ADC前端采用5倍增益的仪表放大器，它将电路的系统分辨率从0.7326mV提高到0.1465mV，足以满足系统测量分辨率的要求。与此同时，该电路将满刻度范围降低至600mV（3V/5）。

3.2 A/D校准电路设计

理想情况下，模拟输入电压x和其对应的数字量y之间是如下线性关系：y=xk×mi（1），式中mi=1.0000为理想情况下归一化x-y直线的增益；k=3.0/4095为12bit ADC模块的极限分辨率。由于存在增益误差和零点偏移，实际系统输入ADC的电压为：y=xk×ma+b （2），式中ma为实际增益，b为零点偏移量。对于TMS320F2812 DSP芯片特性有：0.95

-80

由（2）和（3）式可知，在ma=1.05，b=80和ma=0.95，b=-80时误差最大。为提高测量精度，需要根据每次转换的ma和b，对计算的模拟量进行修正。本系统将两路A/D通道A6、A7作为校准通道，通过高阻抗的精密电阻对3.3V电压分压，得到两对参考电压及对应的转换数字量 （xH ， yH）、（xL ， yL）。容易推导出：ma=（yH-yL）（xH-xL）k

b=yL-xL×ma（4）。

可以得到经过校准后的模拟量：x=y×kma-b（5）。

考虑本系统中有双极性电压转换为单极性电压，可以在A6端选择中点（1.5V）作为参考电压，A7端输入0.5V作为另一个低参考电压。如此，系统牺牲两路A/D通道以换取采样精度的提高。校准测量电路如图3所示。

4 数字滤波处理

为消除信号在外界干扰情况下形成的尖峰信号及零漂等问题，提高测量精度和稳定性，需要对信号进行滤波处理。与模拟滤波相比，数字滤波可以避免模拟滤波无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用DSP芯片实现数字滤波具有较高的稳定性和灵活性，且精度高、不受外界影响。利用TI公司针对C2000系列提供的用于数字滤波的库文件（filter.lib），同时借助MATLAB的专门用于滤波器设计和分析工具FDAtool（Filter Design & Analysis Tool），可以帮助软件设计者快速、高效的实现16位定点FIR滤波和IIR滤波。

以测量的振动加速度信号为例，需要对数字信号进行数字滤波处理，滤除大于1kHz的高频信号。系统采有限冲击响应（FIR）滤波算法，FIR滤波器优点是总是稳定的而且具有精确线性相位，允许实现多通道滤波器。其关键是根据实际需要，采用合适的滤波函数并得到滤波系数。

由于F2812是16位定点DSP，设计出低通滤波器后，要在DSP上实现还需要定标，即需要确定运算中小数点的位数，也即确定Q值。

5 结束语

本文设计并实现了一个基于DSP的数据采集系统。介绍了在具有多种信号输入模式的情况下，如何利用运放和仪表放大器实现信号调理；提出一种A/D校准电路和算法，结合数字滤波器的设计，提高了DSP内置A/D转换器测量精度，在简化了硬件设计的同时获得了比较好的性能。

参考文献：

[1]A DESIGNER'S GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS. AD INC，2004.

[2]AD627 - Micropower， Single and Dual Supply Rail-to-Rail In-AMP. AD INC， 2005.

[3]TMS320C281X System Control and Interrupts Reference Guide（Rev.B）. TI，05 NOV 2004.

[4]TMS320C281X Inter-Integrated Circuit Reference Guide. TI，05 NOV 2004.

[5]F2810，F2811 and F2812 ADC Calibration（SPRA989）.TI， May 2004.

[6]苏奎峰，吕强，耿庆锋，陈圣俭.TMS320F2812原理与开发.北京：电子工业出版社，2005.