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

          作者: 時間:2017-06-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          引 言

          數(shù)據(jù)采集是DSP|0">最基本的應(yīng)用領(lǐng)域,本文設(shè)計的系統(tǒng)利用TI公司的TMS320F2812 芯片。該芯片的主要特點有: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)雜的實時控制算法的應(yīng)用成為可能。

          USB|0">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PDID12芯片。將協(xié)議應(yīng)用于以為核心的嵌入式系統(tǒng),可以大大提高DSP系統(tǒng)與計算機的通信能力,從而拓寬DSP的應(yīng)用范圍。本文利用DSP和USB設(shè)計的系統(tǒng),符合多通道的需要。

          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。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/353747.htm

          圖1 數(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。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: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(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)換器進行擴展。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為實際增益,b為失調(diào)誤差。F2812的ADC理想狀態(tài)與實際轉(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(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)進行補償,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)進行初始化,然后對片上A/D、I/O、存儲器設(shè)備等進行初始化,再對USB設(shè)備初始化,之后程序進入循環(huán)等待主機通過USB口發(fā)送命令,然后對命令進行相應(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)換器進行數(shù)據(jù)采集時,首先對A/D進行初始化,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,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。



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