利用DSP和USB的三維感應測井數據采集系統

數據采集是DSP最基本的應用領域，本文設計的數據采集系統利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。該芯片的主要特點有：150 MI/s（百萬條指令/秒）的執行速度使得指令周期減小到6.67ns，從而提高了控制器的實時控制能力；采用哈佛總線結構，具有高性能的32位的CPU，在一個周期內能夠實現32位×32位或兩個16位×16位的乘法累加操作，具有快速中斷響應與處理能力；TMS320F2812應用大量外設接口簡化了電路設計；提供了足夠的處理能力，使一些復雜的實時控制算法的應用成為可能。
　　
USB是現在應用廣泛的一種高速通用串行總線協議。本文利用Philips公司的PDIUSBD12芯片。將USB協議應用于以DSP為核心的嵌入式系統，可以大大提高DSP系統與計算機的通信能力，從而拓寬DSP的應用范圍。本文利用DSP和USB設計的數據采集系統，符合三維感應測井多通道數據采集的需要。
　　
數字采集系統設計
　　
數據采集系統的結構框圖如圖1所示，主要包括DSP、前置放大電路、信號調理電路、USB通訊接口，由于三維感應測井有3個Z軸向接收線圈和7組三分量接收線圈構成，所以采用了7組多路開關。在一個數據采集系統中，A/D轉換器是采集系統的核心。在基于TMS320F2812的數據采集系統中，選用了芯片嵌入式的ADC模塊。



圖1 三維感應測井數據采集系統結構框圖
　　
信號調理電路
　　
由于本采集系統用于三維感應測井中，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，所以結果分析對原始數據的依賴性強。本設計信號調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。
　　
前置放大器設計
　　
前置放大器的噪聲系數對整個采集系統的噪聲特性具有重要的影響。因為它所產生的噪聲會被后續各級放大器逐級放大，所以在選擇放大器時低噪聲指標非常重要。在研制低噪聲放大器時，應該抓住低噪聲這個關鍵指標來分析、計算并設計電路。目前，可用噪聲指標比較好的集成電路來設計低噪聲放大電路。
　　
由于測井時被采信號一般為微伏級，因此本設計采用INA128儀用差分放大器，它的最大輸入失調電壓為50μV，溫度系數為0.5μV/℃，最大輸入失調電流為5nA，同時還有很寬的電源電壓范圍，可以在±2.25V到±18V的供電電壓范圍內穩定工作。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的范圍內變化，其計算公式為。當電壓增益大于100時，INA128的輸入共模抑制比達到120dB，對輸入信號的共模干擾起到了很好的抑制作用。
　　
用MAX267 設計帶通濾波器
　　
在三維感應測井中所設定的有用信號的帶寬為20kHz到250kHz，因此選用MAX267設計一種帶通增益放大器。MAX267內部含有2個獨立的二階開關電容帶通濾波器，它有12個可編程輸入端，其中F0~F4為濾波器中心頻率設置輸入端，分別接低電平或高電平，可以將中心頻率設置為時鐘頻率的1/10，另外Q0~Q6為品質因數設置輸入端，分別接低電平或高電平，可以在0.5~64 之間設置濾波器的品質因數。因此，不需要外加任何元件，而僅需外部時鐘就可以實現帶通濾波功能，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 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的轉化區間內，以提高儀器的動態范圍和靈敏度。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120dB。本設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 兩級程控放大級聯原理圖
　　
其中兩個級聯的第一級程控差分放大器由兩片PGA205實現，兩片PGA205的輸出分別作為PGA204的正負輸入端，于是就構成了第二級程控差分放大器。PGA204的可控放大倍數為1，10，100，1000；PGA205的可控放大倍數為1，2，4，8。所以，級聯后程控放大部分的可控放大倍數可有16種組合方式。
　　
陷波器設計
　　
50Hz的工頻干擾是數據采集系統中不可避免的，它會嚴重影響到前方和主放的穩定性。所以此處利用高性能器件MC33171構成50Hz陷波器，MC33171具有寬頻帶和較高的轉換速率。圖4為基于MC33171的50Hz陷波器電路，在圖示的元件數值下，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采樣設計
　　
TMS320F2812的ADC模塊
　　
TMS320F2812芯片中集成了一個12位A/D轉換模塊。為了滿足系統多傳感器的需求，F2812的A/D轉換模塊有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轉換器。在內部邏輯的控制下，用戶可同時啟動這兩個或是其中某一個A/D轉換模塊。
　　
F2812的ADC模塊是嵌入式的，它與傳統的A/D相比具有以下特點：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轉換的結果。同傳統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轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路開關（MUX）、采樣/保持（S/H）電路、A/D轉換內核以及其他模擬輔助電路。A/D轉換單元的數字電路包括可編程轉換序列器、結果寄存器、與模擬電路的接口等。圖5為ADC模塊的構成框圖。



圖5 ADC模塊構成框圖
　　
ADC模塊功能包括：
　　
1）內置雙采樣/保持（S/H）的12位A/D轉換模塊，模擬輸入為0-3V。
　　
2）同時或順序采樣模式。
　　
3）快速轉換時間，可運行在25MHz的數模轉換時鐘或12.5MSPS。
　　
4）多輸入通道達16通道。
　　
5）自動排序能力。一次可執行多達16通道的“自動抓換”。
　　
6）兩個獨立的可選擇8個模擬通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可獨立工作于雙排序器模式，或級聯后工作在可選擇16個模擬轉換通道的排序器模式。
　　
7）可分別訪問的16個結果寄存器用來保存轉換結果。
　　
輸入模擬電壓轉換為數字值可由下式得到：其中，ADCLO是A/D轉換低電壓參考值。
　　
8）使用多個觸發信號啟動數模轉換（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換）。

EVB：時間管理器EVA（在EVB中有多個時間源可以啟動轉換）。
　
9）在雙排序模式下，EVA和EVB觸發器可各自獨立的出發SEQ1和SEQ2。
　
10）中斷控制方式靈活，可在每次轉換結束或每隔一次轉換結束發出中斷。
　　
數據采集系統A/D采樣設計
　　
本系統信號輸入設計為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換器進行擴展。在電路設計中，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輸出多路模擬轉換器4051，這樣就可以擴展為24路模擬信號輸入。為了減小信號通道之間切換帶來的串擾，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轉換產生的誤差，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內嵌的A/D轉換模塊與輸入信號之間的接口。



圖6 A/D模塊與信號接口
　　
對于每一個轉換，CONVxx位確定采樣和轉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，F2812的ADC模塊轉換方程為y =x ? mi，x=輸入電壓×4095/3，y為輸出計數值。在實際中，ADC的誤差不可避免，定義有增益誤差和失調誤差的轉換方程為y=x ? ma±b，式中ma為實際增益，b為失調誤差。F2812的ADC理想狀態與實際轉換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調誤差，因此必須對這兩種誤差進行補償。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），通過讀取相應的結果寄存器獲取轉換值，求得校正增益和校正失調，再利用這兩個值對其他通道的轉換數據進行補償，從而提高了ADC模塊轉換的精準度。圖7顯示了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調。



圖7 理想轉換與實際ADC轉換
　　
TMS320F2812與PDIUSBD12接口設計
　　
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
　　
系統軟件設計
　　
該數據采集系統可以通過USB接口直接與PC機相連，在CCS集成開發環境下通過JTAG接口來調試、燒寫程序，可使用C語言來實現。
　　
主程序流程
　　
圖9是系統主程序流程圖。在系統上電之后，先對DSP的時鐘等系統參數進行初始化，然后對片上A/D、I/O、存儲器設備等進行初始化，再對USB設備初始化，之后程序進入循環等待主機通過USB口發送命令，然后對命令進行相應處理。



圖9 系統主程序流程圖?
　　
A/D轉換流程
　　
在使用TMS320F2812的內嵌A/D轉換器進行數據采集時，首先對A/D進行初始化，并且設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，程序進入中斷服務子程序，它將A/D轉換結果讀入數組Ad_data1[ ]中，并重新啟動A/D，進行數據轉換，如此循環往復。流程圖如圖10所示。



圖10 系統程序流程圖
　　
結束語
　　
本文利用TMS320F2812與PDIUSBD12相結合，設計了一套三維感應測井探測器的數據采集系統。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，并且能對單通道實行多次采樣。系統還采用了USB接口，采集到的數據經過處理后，通過USB上傳到主機，由上層軟件進一步處理，從而能夠更有效地測得油井中的油氣分布。