基于DSP的无线多通道数据采集系统设计

袁博 查晨东

摘 要：针对可穿戴装甲装备测试设备的数据采集功能需求，提出了一种基于TMS320F28335和ADS8557的无线多通道数据采集系统，可实现对炮控36路信号采集，采集数据通过蓝牙无线传输给可穿戴主机，具有多通道、低功耗、便携性特点。

关键词：数据采集；DSP；模数转换

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.123

1 引言

数据采集系统广泛应用于工业控制、设备监控、医疗卫生等领域[1]，利用传感器技术能够实现电压、温度、压力、速度等多种物理数据的测量。DSP又称为数字信号处理器，在体积、功耗与性能上都具有良好的性能，常应用于数据采集与处理中。本文采用德州仪器生产的TMS320F28335芯片和ADS8557模数转换芯片，设计了一种应用于某型坦克炮控系统测试的多通道数据采集系统，在数据传输上面采用MS96SF1蓝牙模块[2]，该模块支持蓝牙4.2协议，能够实现数据采集系统与可穿戴主机的无线数据传输的目的。

2 需求分析

多通道数据采集系统包含了测试资源分配，待测信号调理，信号的AD/DA转换，测量数据传输等功能[3]。炮控系统测试资源较多，某型坦克炮控系统包含有炮控箱和操纵台共有36路AD信号，数据采集系统通道数应能满足测试资源需求。常用数据采集系统结构主要有以下两种：

（1）同步数据采集系统。该方法常用于精密仪器控制和高速高精度采样等场合中，能够实现多路信号的同步采集功能，但难以做到对体积与成本的控制，功耗也相对较大。

（2）分时复用数据采集系统。该方法利用一组数据线对多通道数据进行循环采集，在同一时间点只有一路信号占用该通道。该方法在数据采集速率要求不高的场合具有易于设计、经济高效的优势。但也存在采集速率不高、无法得到同一时刻的多通道数据。

由于实际测试信号对同步采集需求不高，为降低硬件成本，减小数据采集系统体积，采用分时复用数据采集系统实现36路信号的循环采样[4]。

3 硬件电路设计

现有测试系统主要利用电缆进行数据传输，适配器与测试部件、适配器与计算机都采用“航插-电缆-航插”的方式进行连接。为满足可穿戴性需求，从装甲测试的实际应用层面确立了数据采集系统硬件方案，大致可划分为：DSP及外围电路、电源模块、A/D转换模块、信号调理模块、无线通信模块。系统硬件总体结构如图1所示：

3.1 电源电路设计

电源电路是系统硬件设计中最为重要的部分，电源信号的稳定性和可靠性直接决定了系统能否正常稳定的运行。数据采集系统从装备取26V电，各种器件工作电压不同，需要对电源进行滤波、稳压和转换等操作。其中ADC芯片需要5V与模拟±15V电源，DSP芯片內部需要3.3V与1.9V电源供电，同时为了降低噪声对模拟信号的干扰，需要将模拟地和数字地分来。将装备26V电通过HZD05B系列电源模块进行电压转换，该电源模块额定输出功率为5W，输出电压精度达±1%，具有过流和过压保护功能。转换电路如图2所示：

采用双输出低压差调压器TPS767D301芯片将5V电源转换为3.3V和1.9V电源，TPS767D3XX系列双稳压芯片主要应用于DSP芯片，可用于混合输出电压应用，每个稳压器最高可支持1A电流。

3.2 ADC接口电路设计

ADS8557芯片是TI公司的一款高性能逐次逼近型低功耗模数转换器、采用64引脚薄型四方扁平式封装（LQFP），额定工作温度为-40℃至125℃，具有硬件与软件两种工作模式。由于装备信息采集需要周期性进行，采用硬件工作模式更为方便。ADS8557与F28335接口电路如图所示：

需要注意的是，ADC内部含有模拟信号处理，为了提高模数转换精度，防止模拟信号与数字信号互相干扰，需要对ADC与DSP信号接口进行隔离处理。

单片ADS8557具有六个模拟输入通道，多数装备通道信号变化较为缓慢，适合利用多路复用器进行分时采样，这样可以极大的减小数据采集设备的体积与成本。该多路复用器具有-40V-55V的过压保护，先开后合式开关动作能够防止通道发生瞬时短路情况。设计使用6片ADG508F，多通道分时复用电路结构如图所示，经过信号调理的45路模拟信号进入多路复用的输入端，DSP通过A0，A1，A2三个引脚控制多路选通，实现对多通道的分时复用采样。

3.3 信号调理电路设计

ADS8557模拟通道输入范围在±12V，需要进行分压处理，分压比例由经验信号值预先确定。为了防止信号异常烧坏器件加入保护电路，一旦输入信号超过±10V，就从稳压管流走。同时为了提高信号的测量精度和带负载能力，加入电压跟随电路。信号调理电路如图5所示：

4 软件设计

数据采集系统的软件设计主要包括DSP初始化、AD采集、数据通信等部分，软件设计主要在CCS7.0的集成开发环境下调试完成的。软件流程图如图6所示。

McBSP是TI公司DSP芯片中的多通道缓冲串行数据口，具有全双工双缓冲数据通信特点，支持SPI、I2C、IOM-2等数据传输协议。由于内部具有传输时钟CLKX与帧同步信号FSR，可编程程度较高。需要注意的是SPCR寄存器中的RRDY位表示接受状态，RRDY=1表示数据接受寄存器已准备好，数据发送后RRDY置0，等待新的数据传入。

5 结束语

文中针对炮控系统信号采集，设计了一种可用于可穿戴检测设备的数据采集系统。该方案通过分时复用扩展了采集通道，压缩了设备成本与体积；同时以蓝牙无线传输代替电缆，满足了可穿戴测试设备对数据采集系统便携性和易用性的设计需求。

参考文献：

[1]吴宏超，刘治红，吴跃.面向军工装备制造企业的生产现场数据采集与智能监控系统[J].兵工自动化，2017，36（01）：22-27.

[2]郝晓明，李杰，黄玉岗.基于ADS8568的八路数据采集系统设计[J].传感技术学报，2016，29（01）：150-154.

[3]杨博，张加宏，李敏等.基于ARM的多通道数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2015（02）：104-107.

[4]苏志刚，王翔，郝敬堂.基于时分复用技术的多源数据采集系统[J].计算机工程与设计，2014，35（10）：3404-3409.

作者简介：袁博（1993-），男，河南西平人，硕士研究生，主要研究方向：可穿戴技术。