基于DSP的多通道数据采集电路

２００８　仪表技术与传感器　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　２００８　Ｎｏ．１　第１期　基于ＤＳＰ的多通道数据采集电路　黄超，李俊，林锦国　２１０００９）　（南京工业大学，江苏南京摘要：提出了一种基于ＤＳＰ的多通道数据采集电路的设计方案。该方案采用硬件高速锁相环电路控制多通道Ａ／Ｄ　转换器，使１个周期的采样点总数不变，但这个数值可调。然后，脉冲通过调理，且通过一种特殊的电路进行推迟再进入　ＣＰＵ．这样，ＣＰＵ就可以处理这些信号，同时也避开了由元器件产生的毛刺。这样保证了电路的同步整周期采样，实现了　多路数据的采集。同时，在仿真软件里对部分关键电路进行了仿真，然后，又在实际的完整电路板上再次验证了整个设　计，其效果很好。　关键词：多通道；锁相环；放大电路　中图分类号：ＴＰ３０２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００２—１８４１（２００８）０１—００８３—０２　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　Ｄａｔａ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ＨＵＡＮＧ　Ｃｈａｏ．ＬＩ　Ｊｕｎ．ＬＩＮ　Ｊｉｎ－ｇｕｏ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａ　ｈｉ【ｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ＰＬＬ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ＡＤ　ｃｏｎｖｅ￣，ＳＯ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｐｏｉｎｔ　ｉｎ　ａ　ｐｅｒｉｏｄ　ｗａｓ　ｉｎｖａｒｉａｂｌｅ．Ｂｕｔ　ｉｔ　ｗａｓ　ａｄ－　ｊｕｓｔａｂｌｅ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ－ｐｕｌｓｅ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｄｊｕｓｔｅｄ，ａｎｄ　ｐｏｓ￣ｏｎｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｗｅｎｔ　ｉｎｔｏ　ＣＰＵ，ａｎｄ　ｈｅ　ＣＰＵ　ｄｅａｔｌｔ　ｗｉｔｈ　ｉｔ，ａｎｄ　ａｖｏｉｄｅｄ　ｔｈｅ　ｂｕｒｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｃｒｅａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｔｈｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ｗｈｏｌｅ　ｐｅｒｉｏｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ　ｄａｔａ　ｓａｍｐｌｉｎｇ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｒｅａｌ　ｃｉｒ－　ｃｕｉｔ　ｉｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｐｅｒｆｅｃｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌ；ＰＬＬ；ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　０引言　要提高电力的质量，减少无功功率的损耗，并要使电源更　稳定，现在普遍采取有源电力滤波的方式。文献［１］提到了电　力系统有源滤波的一些基本的概念和设计方法。并对有源滤　波的结构有着比较详尽的探讨。但是采用这种方法需要进行　前级滤波，而且要求比较高精度的采样，然而，在电力采集的过　程中，由于谐波的存在，使得采样的结果不准确。另外，目前的　Ａ／Ｄ采样一般只有８位，而且装置多使用单片机控制，所以这　使得无论是精度还是速度，目前的采样系统都远远达不到要　求。许多电力设计人员，经过长期的努力，尽管效果稍微有点　改善，但是并不理想。当然，原因有很多，比如受到工艺、原理　等的制约。　为了避免这些缺陷，可以采用针对ＤＳＰ的数据采集系统。　图１系统总框架图　互感器的时候转化为幅值不超过４０　ｍＡ的交流电流信号。对　于输入，还有专门的电压提升电路。其提升的电压数值，可以　通过一块专门设计的电压提升电路进行调节，只要把输入调节　到ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７所能接收的信号幅值范围内就可以了，这比　以前设计的固定电压方便多了。在放大电路中，含有滤波的部　分，后面的方波产生电路利用放大后的信号产生方波，然后经　过倍频电路，进行２５６倍频。最终得到了５０　Ｈｚ交流电的采样　控制脉冲。　１．１放大电路设计　与同类的处理器中相比，ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７更适合用在电力系统　的处理进程中，其驱动能力很强，可以直接驱动Ｈ桥和一些低　耗电的电路。　１硬件框架　放大电路保留输入信号的低频率部分（５０　Ｈｚ左右），用低通　滤波电路进行滤波，如图２所示。通过计算得出的公式来仿真　和设计，仿真结果是：大约在频率４７２　Ｈｚ时候放大倍数为１，而实　际结果为０．９３２　５，稍小于１；在５０　Ｈｚ时候为９．９７，而实际结果为　系统框架如图１所示。系统主要由滤波放大电路、方波产　生电路，锁相电路，脉冲调理电路，采样保持电路组成。其中，　输入信号通道和滤波放大电路的通道共用一个端口。　为了防止电流干扰，原始多路信号经过电压互感器和电流　收稿日期：２００７—０６一Ｏ１收修改稿１３期：２００７—１０—２０　８．６４，基本符合要求。仿真结果基本符合实际测量的情况。　通过改变ｃ　和Ｃ　就适当地改变了二阶滤波系统的响　应。为了使信号的干扰最小，而有用的信号所占的比例最大，　而且使谐波的幅度最小，所以，对以前的滤波电路进行了一些　调整和改进，图２所有的参数，就是最后确定的最优的参数。　维普资讯 http://www.cqvip.com ８４　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　改进后，锁相的速度有非常明显的加快，而且锁相效果稳　定，精度也提高了。　１．３脉冲调理电路　ＸＩＮＴ１ＣＲ和ＸＩＮＴ２ＣＲ控制并监视ＸＩＮＴ１和ＸＩＮＴ２引脚的　状态。而在ＬＦ２４０Ｘ中，ＸＩＮＴ１和ＸＩＮＴ２管脚至少必须被拉低　６个（或１２个）ＣＬＫＯＵＴ周期才能被处理器核心识别。这以后　图２低通滤波电路　的脉冲从工程的角度应该消除，否则会引起许多严重的后果。　针对ＤＳＰ的构造，需要调理中断脉冲信号。在设计中，采　用双可重触发单稳态触发器７４ＨＣ１２３。对于触发脉冲的宽度，　可以通过一对电容和电阻控制，脉冲宽度为　１．２方波信号产生及其相应的锁相电路　方波信号产生的主要部分是：ＬＭ３１　１比较电路，把前面预处　理完的信号变为方波。ＬＭ３１１是高速的电压比较芯片，其响应　速度很快，使用加上拉的输出，这样脉冲信号的电压就可以方便　地调节了。然后再经过４Ｏ４６锁相。锁相效果可以参考式（１）：　ｆ￣ｉ．－　，ｍ　＝　＝　：１．２×１８　Ｈｚ　锁相环的频率特性可由式（２）确定：　１／　２￣ｆ，　（２）　ｆｏ　一般用简单计算出的参数结果就可以控制，但效果欠佳。　由于锁相速度主要与尺　。和Ｃ　有关。通过在以前的电路基　础上经过大量的实验，改进如图３所示。　ｗ唱　Ｃ　慧　眦　ＰＣ１ＣＡ　ＳＣＯＵＴｃＢ　Ｒ１　Ｕ４　＇Ｒ２　ｚ　卜＿　／卜图３改进的ＰＬＬ电路　实验发现，当尺。变小时，锁相范围变大。尽管此时锁相范　围的下限略有所升高，但与此同时锁相速度会有很大的提高。　又因为交流电的频率大概在５０　Ｈｚ左右波动，所以，对下限要求　不高。而对于采样，它要求实时的跟踪交流电频率的变化，对　速度要求比较高。所以，根据速度优于范围的原则，尽可能提　高速度。最终采用了Ｒ。：５．１　ｋｔ２．当然，当ｃ２降低时，锁相速　度也会升高，但这时候锁不住低频，所以ｃ２采用０．１　的最　优数值。表１为部分具体实验数据。　表１锁相环锁定范围与参数对应表　Ｔｗ＝Ｋ・ＲＥｘＴ・ＣＥｘＴ　式中：尺　ｘＴ为外部电阻的大小，ｋｎ；ＣＥｘＴ为外部电容的大小，ｐＦ；　Ｋ为常数，对于　为５．０　Ｖ时候，Ｋ＝０．５５，而当　为２．０　Ｖ时　候，Ｋ＝０．４８．　但是实际的脉冲宽度要比计算的宽一点。　针对以往的系统采用的电路，并且结合前面的公式，做了　大量的实验，从而做出改进，可以得到如图４的电路。改进后，　不但中断信号响应迅速，而且减小了毛刺，从而防止了误触发。　通过这个脉冲调理电路，再经过多层滤波和斯密特反向器处　理，可以使ＤＳＰ处理机顺利接收到锁相触发信号。为以后的进　一步处理提供了方便。　Ｕ３２Ａ　ＲＣｅｘｔ　７４ＨＣ１２３　Ｃｅｘｔ　Ｂ　（　【｜Ｒ　图４改进后的脉冲调理电路　１．４采样保持电路的设计　直接对模拟信号进行采样，其结果并不理想。所以提出的　系统用采样一保持器先把信号固定一段时间。前面做的一些　工作，如锁相，其产生的锁相信号的其中一个作用就是作为采　样保持器的触发信号。当然，这些信号不能直接使用，还需要　经过缓冲／变换器整形，并且加强它的驱动能力。最后才可以　得到所需要的Ａ／Ｄ信号源。提出的系统采用ＬＦ３９８集成采样　一保持器，Ｃ　为０．０１　ＩｘＦ．ＬＦ３９８采用ＢＩ—ＦＥＴ技术获得高的直　流精度，采样时间短，小于１０　ｓ，而且有很低的电压跌落变化　率。在输出模式时候，ＬＦ３９８有很低的输出噪声。　２结论及效果图　经过实际的检测，以上电路可以将原来模拟的信号滤波，　并得到离散的波形。当示波器刻度调得很小的时候，观察波形　的微观情况，就会发现输出是类似阶梯的波形，继续把波形放　大可以得到如图５的波形，这个波形是可以被ＤＳＰ成功采样　的，而且由于经过了ＰＬＬ的脉冲控制使单周期内采样点个数保　持恒定，所以为后续算法的处理提供了精确的实时信息。另　外，由于采用了阶梯波形，所以２４０７的Ａ／Ｄ可以精确地采集到　信号的幅度，然后就可以进行处理了。　（下转第８７页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　续表　郑海中等：高压旋喷灌浆自动记录系统　８７　灌浆的试验结果表明，记录仪能满足现场灌浆的要求，各项指　标均达到设计要求，它为灌浆工程提供了较完备的测试手段，　从而保证了灌浆质量。　参考文献：　［１］张景秀．坝基防渗与灌浆技术．北京：水利水电出版社，２００２：２１３　２２１．　［２　ｊ　徐力生，郭定明．Ｕ一Ⅱ型灌浆压水测控系统的研制与应用．水利　水电技术，２００３，３４（１１）：６７—６９．　注：括号内数据为实验室标定台检测的数据，括号外数据为仪器实测值。　［３］蔡武昌，孙淮清，纪纲．流量检测方法和仪表的选用．北京：化学工　业出版社，２００１：１５６—２０８．　３结束语　［４］　杰．单片机原理及应用．北京：机械工业出版社，１９９９：２８４—　２８９．　通过系统对高压旋喷灌浆基本参数的动态检测，使高压旋　喷灌浆施工过程参数的记录精确、及时，客观反映地层施工情　况，灌浆工程师可以准确地把握受灌地层的地层条件和地下渗　流情况，迅速地评价施工效果，并进一步合理地改变灌浆压力　和流量等参数，科学灌浆，使灌浆施工更经济、更有效地进行。　（上接第８４页）　［５］　原明亭，范树栋，姜益经．灌浆自动检测系统可靠性设计．山东矿　业学院学报，１９９８，１７（２）：１６２—１６３．　作者简介：郑海中，博士研究生，从事岩土工程及相关仪器仪表方面的　研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｗ　２００２＠１２６．ｃｏｒｎ　图５放大后的采集到的正弦波和原始信号比较　但是，必须注意到在图５中出现的２个比较明显的问题，　这２个问题如果处理不当，就会影响后面的工作。第一是毛刺　问题，这些由器件开关造成的毛刺严重影响后面的采样；第二，　如图５，可以看出阶梯波的前端有一个斜坡。在一定程度上，这　也会后面的处理造成影响。２个问题的消除在一般文章提到较　图６延迟触发的ＰＳＰＩＣＥ仿真　通过一些缓冲的处理，这样就能避开毛刺。这几种方法不仅可　以用于ＬＦ２４０７，对于各种单片机也同样适用，只需要调整它的　延迟时问，也就是调整第一级脉冲的宽度。　３结束语　少，现提出４种解决的办法，并进行分析。　（１）阻容滤波，就是低通滤波。这种方法比较常用，且可　行，但是对波形有影响。　（２）稳压管法。这种方法也比较常用、可行，但是受到稳压　管大小的局限性，会使电路的调试很不方便。不过这种方法可　通过以上的改进可以使Ａ／Ｄ的精度和稳定性以及采样的　速度都有了很大的提高。该采样系统通过后续的诸如ＦＦｒ算　法或者小波算法就可以构成电力质量分析设备。然而，由于在　速度和精度优于同类系统，所以不仅可用于电网的质量检测，　而且可用于电力的无功功率消除。　参考文献：　［１］李广弟，朱月秀，王秀山．单片机基础．北京：北京航空航天大学出　版社，２００４．　以和其他方法综合使用。　（３）软件延迟法。这种方法很少有文章提到，但是实现简　单。就是在采样脉冲到来时候，在中断程开头部分加上一段空　［２］　黄开长，刘和平，邓力，等．同步数据采集技术在电力系统中的应　语句。这样可以巧妙的避开毛刺域和斜坡域。　（４）硬件延迟法（双触发调理法）。通过２个脉冲触发芯　片，采用级联的方式连续发生２个脉冲，通过第１个脉冲的宽　用．仪器仪表学报，２００２；２３（３）：４９４—４９６．　［３］　扬旭，朱斌．高频多通道同步数据采集ＤＳＰ系统在电力系统中的　应用．暨南大学学报（自然科学版）．　度控制另一个脉冲的延迟时间。通过ＰＳＰＩＣＥ进行仿真，成功　的进行了脉冲发生时问延迟，得到具体仿真结果如图６。从图　６可以看到双触发调理稳定而精确的引起了信号延迟。　后两种是不改变波形的方法。　通过这种双触发调理延迟的方法，再经过一些适当的隔　离，从而使脉冲延迟了一段时问（而且这个时间是可调的），在　［４］　颜秋容，徐勋建．基于ＤＳＰ的智能隔离检测系统的设计．仪表技术　与传感器，２００６（１１）．　［５］　姜齐荣，赵元东，陈建业．有源电力滤波器——结构・原理・控　制．北京：科学出版社，２００５．　作者简介：黄超（１９８２～），硕士研究生，主要研究方向机器人技术。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｃｈａｏ９１１＠１６３．ｃｏｒｎ