基于DSP的16通道声发射同步数据采集电路设计

煤岩声发射监测，又名微震监测，是一种公认的很有发展前途的连续预测煤矿动力灾害的方法。目前国内已经有多套国产和引进的系统投入使用。其中，煤岩声发射信号的采集是该监测系统实现的重要环节之一，它要求数据采集电路具有大动态范围、多通道同步数据采集等特点。目前，国内已有多家单位进行了相关的研究工作：熊庆国等采用单片机+DSP的方案研制出便于携带的具有16位分辨率的单通道岩体声发射监测仪；周凤星等采用C8051F022核心控制器，设计出能够同步采集三路16位分辨率加速度传感器信号的声发射数据采集站：潘一山等研制的矿震监测定位系统采用了16位、8通道的数据采集器；王继强等以TMS320VC5402处理器，分别设计了8通道、16位分辨率的微震实时监测系统。

随着技术的快速发展，处理器和A／D转换器的性能都在不断改善，使得更多通道、更高分辨率的煤岩声发射信号采集成为可能。TMS320 VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、高性能、16位定点DSP处理器，其主频最高可达200 MHz，具有丰富的外设，适用于大量数据的数据采集和处理。ADS1278是TI公司推出的一款工业级的24位分辨率、8通道同步A／D转换器，具有优良的AC和DC性能，采样率最高可以达144 ksps，并且可通过菊花链的方式级联多片，实现更多通道的数据采集。文中以DSP处理器TMS320VC5509A为核心，通过菊花链的方式扩展了2片ADS12 78，实现了24位分辨率、16通道同步数据采集。

1 数据采集电路的工作原理

数据采集电路的结构框图如图1所示，其工作原理为：系统上电后，TMS320VC5509A(以下简称VC5509A)首先完成对自身资源的配置，然后通过I2C总线配置PCA9535的I／O口状态，完成对ADS1278的基本配置。待以上准备工作完毕后，VC5509A发出一个同步转换脉冲，启动A／D转换；这时，前端传感器采集的煤岩声发射信号经过信号调理电路放大、滤波等预处理后送入ADS1278进行数据转换。最后，各通道转换后的数据以时分复用的形式送入VC5509A的McBSP端口，完成数据的采集。

由数据采集电路的原理框图可以看出，VC5509A与ADS1278的接口是该设计的核心。该接口电路按功能划分为两部分：一个是控制接口，用于设置ADS1278的工作模式、数据传输模式和通道使能情况：另一个是数据接口，用于传输ADS1278采集的数据。此外，电源和基准电路也是该数据采集电路的重要组成部分，下文将详细介绍。

2 数据采集电路的硬件实现

2．1 VC5509A与ADS1278控制接口电路设计

ADS1278的工作模式、数据输出模式和通道使能都是通过引脚来设定的，每片需要设置的引脚多达14个。倘若采用VC5509A的I／O口完成配置，势必造成很大的资源浪费。本文通过VC5509A的I2C控制器挂载了两片PCA9535来完成对ADS1278的配置，只占用两个引脚。

图2给出了单片ADS1278与VC5509A的控制接口电路，其中，3位拨码开关用于设置PCA9535的I2C地址；PWDN[8：1]用于设置各通道的开启情况；MODE[1：0]用于设置工作模式；FORMAT[2：0]用于设置串行数据输出的传输协议和数据格式；CLKdiv用于设置时钟是否减半；LED指示引脚连接一个用户指示灯，当向对应的I／O口写入低电平时，该指示灯点亮，可据此观察PCA9535配置是否成功。

2．2 VC5509A与ADS1278数据接口电路设计

ADS1278转换后的数据以串行方式通过引脚输出，可以通过FORMAT[2：0]来选择传输协议和数据格式。本文通过VC5509A的McBSP外设接口来接收ADS1278转换后的数据，该接口同时支持SPI和帧同步协议，能够方便的实现ADS1278的无缝连接。相比较而言，帧同步模式拥有更快的传输速度，所以本文选择了帧同步协议。

VC5509A与ADS1278采用帧同步协议的数据接口电路如图3所示，两片ADS1278以菊花链的方式级联。其中，U3的输入DIN接地，DOUT1连到U2的DIN输入；U2的输出DOUT1经D触发器后连到VC5509A的DR1引脚；U2和U3拥有相同的CLK、SCLK、SYNCn和FSYNC控制信号。

2．3 电源和基准电路设计

稳定、低噪声的电源是实现高精度数据采集的必要保证，该数据采集电路包含3种典型电源：ADS1278的1．8 V内核电源，3．3 V I／O口电源和5 V模拟电源。其中，5 V模拟电源通过具有较小纹波的LM7805线性稳压得到：3．3 V和1．8 V数字电源通过具有高电源抑制比和低噪声性能的电源芯片TPS73033和TPS73018获得。
基准电路在高精度数据采集电路的设计中起着至关重要的作用，它会直接影响到数据采集电路的精度和稳定性。本文采用了TI公司的一款低噪声、低温漂、精度极高的电压基准芯片REF5025为ADS1278提供参考电压。为使REF5025的输出性能达到最佳，在将基准信号送入ADS12 78之前添加了一级调理电路，用于进行阻抗匹配和滤波。