基于DSP和USB的三维感应测井数据采集系统

引 言

数据采集是DSP最基本的应用领域，本文设计的数据采集系统利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。该芯片的主要特点有：150 MI/s（百万条指令/秒）的执行速度使得指令周期减小到6.67ns，从而提高了控制器的实时控制能力；采用哈佛总线结构，具有高性能的32位的CPU，在一个周期内能够实现32位×32位或两个16位×16位的乘法累加操作，具有快速中断响应与处理能力；TMS320F2812应用大量外设接口简化了电路设计；提供了足够的处理能力，使一些复杂的实时控制算法的应用成为可能。

USB是现在应用广泛的一种高速通用串行总线协议。本文利用Philips公司的PDIUSBD12芯片。将USB协议应用于以DSP为核心的嵌入式系统，可以大大提高DSP系统与计算机的通信能力，从而拓宽DSP的应用范围。本文利用DSP和USB设计的数据采集系统，符合三维感应测井多通道数据采集的需要。

数字采集系统设计

数据采集系统的结构框图如图1所示，主要包括DSP、前置放大电路、信号调理电路、USB通讯接口，由于三维感应测井有3个Z轴向接收线圈和7组三分量接收线圈构成，所以采用了7组多路开关。在一个数据采集系统中，A/D转换器是采集系统的核心。在基于TMS320F2812的数据采集系统中，选用了芯片嵌入式的ADC模块。

图1 三维感应测井数据采集系统结构框图

信号调理电路

由于本采集系统用于三维感应测井中，它对信号采集的精度要求高，因为被采信号频率较高，采样通道多，所以结果分析对原始数据的依赖性强。本设计信号调理电路分为前置放大器、带通滤波器、程控增益放大器、陷波器四部分。

前置放大器设计

前置放大器的噪声系数对整个采集系统的噪声特性具有重要的影响。因为它所产生的噪声会被后续各级放大器逐级放大，所以在选择放大器时低噪声指标非常重要。在研制低噪声放大器时，应该抓住低噪声这个关键指标来分析、计算并设计电路。目前，可用噪声指标比较好的集成电路来设计低噪声放大电路。

由于测井时被采信号一般为微伏级，因此本设计采用INA128仪用差分放大器，它的最大输入失调电压为50μV，温度系数为0.5μV/℃，最大输入失调电流为5nA，同时还有很宽的电源电压范围，可以在±2.25V到±18V的供电电压范围内稳定工作。电压增益可以通过外接电阻改变，在1脚和8脚之间外接不同的电阻R，电压增益可以在0-10000的范围内变化，其计算公式为。当电压增益大于100时，INA128的输入共模抑制比达到120dB，对输入信号的共模干扰起到了很好的抑制作用。

用MAX267 设计带通滤波器

在三维感应测井中所设定的有用信号的带宽为20kHz到250kHz，因此选用MAX267设计一种带通增益放大器。MAX267内部含有2个独立的二阶开关电容带通滤波器，它有12个可编程输入端，其中F0~F4为滤波器中心频率设置输入端，分别接低电平或高电平，可以将中心频率设置为时钟频率的1/10，另外Q0~Q6为品质因数设置输入端，分别接低电平或高电平，可以在0.5~64 之间设置滤波器的品质因数。因此，不需要外加任何元件，而仅需外部时钟就可以实现带通滤波功能，使用极为方便。带通特性曲线如图2所示。

图2 带通特性曲线
其传递函数 G(S)为：

在上式中，HOPB是ω=ω0时的输出带宽值，且ω0 =2πf。

fL和fH分别为：

其中

程控增益放大器设计

程控放大器是在DSP的控制下，将初级放大的信号放大到ADC的转化区间内，以提高仪器的动态范围和灵敏度。考虑到器件的低频噪声特性和提高共模抑制比等因素，选择了PGA204、PGA205组合，其共模抑制最高可达120dB。本设计采用了两级程控反向差分的方法，并且两级程控放大采用直接耦合差动连接的方式。原理如图3示。

图3 两级程控放大级联原理图

其中两个级联的第一级程控差分放大器由两片PGA205实现，两片PGA205的输出分别作为PGA204的正负输入端，于是就构成了第二级程控差分放大器。PGA204的可控放大倍数为1，10，100，1000；PGA205的可控放大倍数为1，2，4，8。所以，级联后程控放大部分的可控放大倍数可有16种组合方式。

陷波器设计

50Hz的工频干扰是数据采集系统中不可避免的，它会严重影响到前方和主放的稳定性。所以此处利用高性能器件MC33171构成50Hz陷波器，MC33171具有宽频带和较高的转换速率。图4为基于MC33171的50Hz陷波器电路，在图示的元件数值下，通过改变两个电阻R的值和一个电容C的值，可获得陷波频率，其数值为：f=1/4πRC。取R=16K，C=0.1μF可得陷波频率为50Hz。

图4 陷波器电路
A/D采样设计

TMS320F2812的ADC模块

TMS320F2812芯片中集成了一个12位A/D转换模块。为了满足系统多传感器的需求，F2812的A/D转换模块有16个通道，可配置为两个8通道模块，这样就形成了两个A/D转换器。在内部逻辑的控制下，用户可同时启动这两个或是其中某一个A/D转换模块。

F2812的ADC模块是嵌入式的，它与传统的A/D相比具有以下特点：A/D模块的硬件资源配置好了之后，用户可以用软件指令随时启动A/D采样，并获得A/D转换的结果。同传统A/D不同的是，采集功能单元的硬件资源配置还有一部分是通过软件完成的。

在TMS320F2812芯片中，A/D转换单元的模拟电路包括前向模拟多路开关（MUX）、采样/保持（S/H）电路、A/D转换内核以及其他模拟辅助电路。A/D转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口等。图5为ADC模块的构成框图。