利用超聲波對路橋等建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測時通常都需要在大空間范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式是將遠(yuǎn)端各個傳感器的模擬信號通過電纜引入近端數(shù)據(jù)采集板卡，由具有多路A/D轉(zhuǎn)換功能的數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并送入上位機(jī)。長距離的傳輸模擬信號容易引入較大的噪聲，降低系統(tǒng)的精度。隨著嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可以將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)直接放在各個傳感器附近進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號通過TCP/IP協(xié)議傳入中心控制節(jié)點(diǎn)。本文設(shè)計了一個基于TCP/IP協(xié)議的高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)以TMS320VC5X系列的DSP器件為主控芯片，可以進(jìn)行大空間范圍的高精度數(shù)據(jù)采集。另外，超聲回波信號通常具有較大的動態(tài)范圍，基于傳統(tǒng)運(yùn)放的放大技術(shù)不能對信號的動態(tài)范圍進(jìn)行限制，這使得A/D轉(zhuǎn)換的精度降低。本文提出了一種基于預(yù)采樣的自動增益電路，可以將輸入信號調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器的最佳輸入范圍內(nèi)，提高了A/D轉(zhuǎn)換的精度。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計和性能
1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計
    本系統(tǒng)分為中心控制節(jié)點(diǎn)和若干數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)間以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)開始工作后首先由中心節(jié)點(diǎn)以UDP廣播報的形式向所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出開始采集命令，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)接到命令后同步開始數(shù)據(jù)采集，采集完一個包的數(shù)據(jù)后按照預(yù)定的格式以UDP報的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心控制節(jié)點(diǎn)。為解決總線型結(jié)構(gòu)通信中常遇到的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，本系統(tǒng)將每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的第一個包設(shè)計為不同的長度，分支節(jié)點(diǎn)1在采集完n1個點(diǎn)后發(fā)送，分支節(jié)點(diǎn)2在采集完n2個點(diǎn)后發(fā)送，…分支節(jié)點(diǎn)N在采集完nN個節(jié)點(diǎn)后發(fā)送。以后的數(shù)據(jù)包都是等長的，這就分散了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，使得發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁堵的幾率大大降低[3]。中心控制節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)保存入SD卡中。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)性能指標(biāo)
    根據(jù)實(shí)際需要，本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：(1)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù) 1~48道可調(diào)；(2)每個通道最大采樣率：大于100 KS/s；(3)采樣精度：24位；(4)道間串?dāng)_抑制比：大于70 dB；(5)采集信號動態(tài)范圍：120 dB； (6)每通道的最大傳輸速率：10 Mb/s;(7)儀器噪聲：最大15 μV。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用TMS320VC5402A DSP芯片作為主控芯片,其最高處理能力可以達(dá)到160 MIPS，具有16 K×16 bit的片上RAM，片上配置了3個多通道緩沖串口（可配置為SPI模式），具有快速的中斷響應(yīng)能力，同時具有多種低功耗模式，這些特性滿足了系統(tǒng)實(shí)時性和低功耗的要求，同時其價格相對低廉，有利于降低系統(tǒng)的成本。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7767，AD7767采用SPI接口，最高采樣頻率可達(dá)128 kS/s,在最高工作頻率下的功耗僅為15 mW。網(wǎng)絡(luò)通信芯片采用RTL8019AS芯片，將RTL8019AS芯片的AUI接口與同軸電纜驅(qū)動芯片DP8392連接,可實(shí)現(xiàn)基于10Base2的細(xì)同軸電纜通信。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的框圖如圖2所示。

2.2 自動增益模塊設(shè)計
    在很多場合下，例如超聲檢測，地質(zhì)勘探都需要達(dá)到很高的采集精度，目前的24位A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)際上并不能真正的達(dá)到24位，同時輸入的模擬信號往往具有很大的動態(tài)范圍，不能處于A/D轉(zhuǎn)換芯片的最佳轉(zhuǎn)換范圍，因此，本系統(tǒng)采用了基于預(yù)采樣和可編程放大器的自動增益電路，以提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度。前端自動增益模塊的框圖如圖3所示。

    要采集的模擬信號首先經(jīng)過放大倍數(shù)為1的高精度運(yùn)放OPA227，以提高信號的輸入阻抗，減小A/D轉(zhuǎn)換器對信號的影響。然后將信號送入8位的高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510，進(jìn)行預(yù)采樣，將轉(zhuǎn)換完的結(jié)果送入CPLD進(jìn)行編碼，小信號對應(yīng)較大的放大階碼，大信號對應(yīng)較小的放大階碼。用此放大階碼控制可編程增益放大器PGA103，達(dá)到自動增益的目的。同時DSP讀取CPLD產(chǎn)生的放大階碼，和AD7767采得的數(shù)據(jù)一起保存，提高采集的精度。
2.3 中心控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計
    中心控制節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)控制各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、接收采集的數(shù)據(jù)并保存入SD卡的功能。中心控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計框圖如圖4所示。

    由于中心控制節(jié)點(diǎn)要承擔(dān)較為繁雜的控制任務(wù)，并且要保存較大的數(shù)據(jù), 所以它的主控芯片采用TMS320VC5509 ADSP芯片。TMS320VC5509A可以在200 MHz的主頻下穩(wěn)定工作,具有128 KB的片上RAM,同時可以擴(kuò)展4 M×16 bit的片外SDRAM，具有支持SD模式和DMA傳輸?shù)腟D卡控制器，有利于系統(tǒng)的集成，減小系統(tǒng)的體積。網(wǎng)絡(luò)通信接口的設(shè)計與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)相同。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 中心控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
     中心控制節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要包括兩點(diǎn)，一是控制數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的開始與停止，二是接收并保存數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)的通信采用的是基于面向無連接的UDP數(shù)據(jù)報協(xié)議，并且系統(tǒng)所掛的分支數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)是可選擇的，所以為了確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和確定系統(tǒng)所掛的分支節(jié)點(diǎn)數(shù)，在工作開始的階段增加了一個握手的過程。首先數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在上電初始化后向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送建立連接請求，中心節(jié)點(diǎn)在接收到連接請求后保存該節(jié)點(diǎn)的IP地址，并檢測是否有足夠的內(nèi)存資源，若內(nèi)存夠，則向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送連接成功數(shù)據(jù)報，若內(nèi)存資源不夠，則發(fā)送連接失敗數(shù)據(jù)報。握手過程進(jìn)行后中心控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送開始采集廣播報，隨后各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)開始數(shù)據(jù)采集。為了及時接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)將接收子程序放入中斷中，在非中斷期間進(jìn)行SD卡的寫操作。中心控制節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5所示。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時性，在對SD卡的操作中并未應(yīng)用文件系統(tǒng)，而是將DSP中各個緩沖區(qū)的內(nèi)容依次寫入SD卡的相鄰地址中，這樣若系統(tǒng)所掛的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)為N個，則第i個節(jié)點(diǎn)的兩幀數(shù)據(jù)中間相隔N-1個數(shù)據(jù)幀。在讀取SD的上位機(jī)中編寫相應(yīng)的軟件便可正確讀取每一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
3.2.1 數(shù)據(jù)格式的設(shè)計
    每一個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)采用32位長整形來存儲，包括24 bit的A/D采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果，4 bit的放大階碼，其余位用0填充。UDP報除去數(shù)據(jù)鏈路層的包頭,有效的負(fù)載為46~1 500 B，再除去UDP的首部8 B和IP的首部20 B，這樣一個UDP幀的有效最大負(fù)載為1 472 B。因?yàn)樵谥行墓?jié)點(diǎn)寫入SD卡的過程中沒有采用文件系統(tǒng)，所以需要在數(shù)據(jù)幀中添加必要的輔助信息，為此在每個包后附加一個8 bit的節(jié)點(diǎn)號信息和和一個24 bit的數(shù)據(jù)包號信息，這樣除每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的第一幀為避免沖突而采用不同的幀長度外，每一個UDP幀發(fā)送45個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù),具體的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)工作流程
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要包括按照中心控制節(jié)點(diǎn)的命令進(jìn)行采集以及將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝并發(fā)送到中心控制節(jié)點(diǎn)。首先在上電初始化后，和中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行握手，握手成功后，等待開始采集命令，接到開始采集命令后開始采集，在A/D轉(zhuǎn)換完成中斷中進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和放大階碼的讀取，在非中斷期間發(fā)送數(shù)據(jù)到中心控制節(jié)點(diǎn)。由于A/D轉(zhuǎn)換芯片輸出兩次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的時間間隔較小，并不能保證在這段時間中數(shù)據(jù)被完全發(fā)送，新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可能會覆蓋掉未發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此采用“乒乓”操作技術(shù)，在分支節(jié)點(diǎn)的DSP中開辟兩個發(fā)送緩沖區(qū)，當(dāng)一個發(fā)送緩沖區(qū)滿的時候?qū)/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入另一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時發(fā)送此緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)只要在兩個緩沖區(qū)同時寫滿之前發(fā)送完成就不會造成數(shù)據(jù)的丟失。具體的流程圖如圖7所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
    為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能，對已知的正弦波信號源進(jìn)行采集，并和MPS-140801多路數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行對比。MPS-140801采集卡在一塊板卡上集成了八路數(shù)據(jù)采集通路，將遠(yuǎn)端傳感器的模擬信號引到近端經(jīng)過放大后進(jìn)行采集。
    實(shí)驗(yàn)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x為50 m。測試信號是峰值為2 V，頻率為20 kHz的正弦波。
    圖8為本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集結(jié)果,圖9為MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的采集結(jié)果。

    通過采集到的波形可以明顯看出，經(jīng)過長距離的傳輸后，MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)混入了較多的噪聲。計算得出本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信噪比比MPS-140801數(shù)據(jù)采集卡的信噪比提高了近20 dB，從而驗(yàn)證了本系統(tǒng)較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡具有較高的精度。
    本文設(shè)計的基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)娜虜?shù)字化，同時采用基于預(yù)采樣的自動增益處理技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的精度，從而具有較高的實(shí)用價值。
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