何希盈，吳有俊，鄒建，陳覺之，宋永君

（海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系，南京211800）

0 引言

水聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長期工作于水下，多數(shù)系統(tǒng)都采用電池供電。因此系統(tǒng)的體積、功耗、數(shù)據(jù)處理能力就成為重要的技術(shù)指標(biāo)。將矢量水聽器、數(shù)字信號處理器（DSP）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、CF卡等技術(shù)結(jié)合起來可以構(gòu)建一個海洋環(huán)境噪聲采集系統(tǒng)。在采集系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是最重要、最關(guān)鍵的核心器件之一。ADC的任務(wù)是將一個連續(xù)的模擬輸入信號（通常為電壓）用一個數(shù)字化的值來表示，以便于進(jìn)一步處理和記錄，它的性能直接影響到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。選取ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，需要考慮它的采樣頻率、有效位數(shù)、動態(tài)范圍、信噪比以及接口方式等性能指標(biāo)[1]。

1 AD器件的選擇

1.1 硬件系統(tǒng)

為用于水下聲信號的數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)了一個DSP采集系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。該采集系統(tǒng)由模擬處理板、數(shù)字板、磁羅經(jīng)、電源和矢量水聽器組成。其中AD器件選擇了TI公司生產(chǎn)的ADS8361[2]，這是一款最高采樣速率為500ksps的16位雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。該轉(zhuǎn)換器具有4個全差分輸入通道，兩兩一對，可以分別連接到獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器上，以實(shí)現(xiàn)雙路高速信號同步采集。采樣保持放大器的輸入端是全差分的，ADC的輸入端也保持為全差分。這使該A/D具有卓越的共模抑制能力：在500 kHz時為80dB，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合高噪聲的應(yīng)用場合。ADS8361提供了高速，雙串行接口和控制信號輸入，可以有效的減少軟件開銷。每一路輸出數(shù)據(jù)都是有效的16bit字。ADS8361基本電路配置圖如圖2所示。

2 接口設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)中主芯片用TI公司生產(chǎn)的TMS320C5509A，該款芯片提供了三個高速、全雙工、多通道緩沖串行接口McBSP，它是在緩沖串口的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其硬件部分基于標(biāo)準(zhǔn)串行接口。設(shè)計(jì)中采用McBSP實(shí)現(xiàn)與ADC的接口[3]，如圖3所示。

圖1 DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖

ADS8361可以配置為四種工作模式。通過設(shè)置三個管腳電平狀態(tài)M0，M1，A0來配置工作模式，如表1所示。

由于傳感器為四路模擬信號輸出，所以ADS8361采用四路差分輸入，即正極性的四個管腳（CHA0+、CHA1+、CHB0+、CHB0+）接傳感器的四路模擬輸入，其它不用的負(fù)極性輸入管腳接參考電壓輸出。設(shè)計(jì)中ADS8361與DSP的多通道緩沖串口1（McBSP1）相連。McBSP1配置為同步串口。ADS8361采用SSOP-24封裝。CS#引腳是ADS8361的片選，設(shè)計(jì)中接低電平，即ADC總是處于被選中狀態(tài)。M1，M0，A0引腳用于選擇采樣通道和數(shù)據(jù)通道，設(shè)計(jì)中分別接高電平、高電平和低電平。根據(jù)表1中，可以看出此時ADC的A通道有效，4路串行輸出。RD引腳為讀取數(shù)據(jù)通道，CONVST引腳是A/D轉(zhuǎn)換脈沖，這兩個管腳與McBSP1的FSX1相連，由DSP通過幀同步控制A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀取。CLOCK引腳用于輸入采樣時鐘，由DSP通過CLKX1管腳提供。如圖3所示。

表1 ADS8361工作模式配置

ADS8361的工作時鐘最大值為10MHz，高電平和低電平至少各40 ns。

3 軟件設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn)

ADS8361與DSP的McBSP1連接，應(yīng)將McBSP1配置成同步串口。通過配置McBSP1的各個寄存器，我們可以設(shè)定ADS8361的工作參數(shù)，例如采樣率。各寄存器配置好之后，打開McBSP1，當(dāng)ADS8361一路模擬信號轉(zhuǎn)換完成之后，ADC輸出的數(shù)據(jù)到達(dá)McBSP1觸發(fā)ADC數(shù)據(jù)中斷，此時可以讀出DRR1及DRR2中的一個ADC采樣數(shù)據(jù)，CPU響應(yīng)中斷讀出數(shù)據(jù)之后進(jìn)入等待循環(huán)模塊。下一個ADC數(shù)據(jù)中斷的到來之后重復(fù)以前的操作。ADC數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖4所示[4]。

圖4 ADC數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

4 ADC電路的調(diào)試

高精度采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是ADC的有效位數(shù)。ADS8361的動態(tài)輸入范圍為±2.5 V，每個量化單位對應(yīng)0.076 mV，因此應(yīng)當(dāng)設(shè)法降低噪聲和干擾。噪聲的來源主要有兩種[5]：一種是ADC自身的噪聲如量化噪聲等，另一種是周圍電路產(chǎn)生的噪聲干擾。前者是ADC固有的，后者的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前者，特別是電源、模擬與數(shù)字電路之間的相互干擾。ADS8361的差分輸入方式大大降低了共模干擾，在設(shè)計(jì)中要考慮如何在電路中減少其它噪聲和干擾。

圖 5 ADC數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集板在ADC輸入接地的情況下，測得的數(shù)據(jù)如圖5所示，所以設(shè)計(jì)中的ADS8361采樣數(shù)據(jù)為11位有效，5位噪聲。

5 結(jié)束語

本文介紹了ADS8361在DSP為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用方法。ADS8361速度快，精度高，配合DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能可構(gòu)建性能優(yōu)異的水聲測量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，基于此的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

[1] 于海生, 潘松峰, 丁軍航, 等．計(jì)算機(jī)控制技術(shù)．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[2] ADS8361. Burr-Brown Products from Texas Instruments, 2007.

[3] 胡慶鐘, 李小剛, 吳鈺淳．TMS320C55x DSP原理、應(yīng)用和設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

[4] 郭燦新, 張紹峰, 黃成軍, 等. CF卡文件系統(tǒng)在DSP數(shù)據(jù)采集中的開發(fā)應(yīng)用. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2006, (1).

[5] 張亞迪, 陳柏超. 高速AD轉(zhuǎn)換器ADS8364在電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.新器件應(yīng)用, 2007.