摘 要: 在數(shù)字技術高速發(fā)展的今天，選擇數(shù)字控制已經成為一種重要的探索和發(fā)展方向。本文選用了TI公司生產的TMS320LF2407DSP器件和AD公司生產的ADXL203加速度傳感器，構建了一個信號采集處理系統(tǒng)，基于CCS軟件的開發(fā)流程，對系統(tǒng)進行了軟件的設計，達到了很好的效果。采用硬件抗干擾措施較好地克服了模擬傳輸帶來的干擾和噪聲的影響。 關鍵字: 信號處理; 傳感器; DSP; 模塊 1 引言 　　人類科技的發(fā)展現(xiàn)在可以說是日新月異，當人們正沉浸在模擬電子技術給我們帶來的生活革新時，誰能這么快就想得到在相隔沒多長時間的今天，我們就在享受著數(shù)字信號處理技術給我們帶來的更大方便和輝煌業(yè)績。本文主要是基于DSP的數(shù)字式ADXL203加速度傳感器的應用設計研究。論文進行了總體方案設計，控制系統(tǒng)的硬件電路設計與軟件程序設計。 2 系統(tǒng)硬件設計 　　本系統(tǒng)設計包括：編程邏輯器件接口，數(shù)字量擴展單元，傳感器信號產生單元，A/D轉換單元，電源管理模塊（提供5V，3.3V）和數(shù)據存儲器等，將TMS320LF2407的資源全部引出。如圖1所示。 　　本系統(tǒng)選擇用DSP作為加速度傳感器信號處理的器件。采用了TI公司生產的TMS320LF240x控制器作為數(shù)字信號處理芯片。這是一款高性能的DSP芯片。這款DSP在總體結構設計上有很多獨特的地方：一是采用多組總線結構實現(xiàn)并行處理機制，允許CPU同時進行程序指令和存儲數(shù)據的訪問;二是采用了獨立的累加器和乘法器，使復雜的乘法運算能快速運行;三是累加器和乘法器分別連接了比例移位器，使得許多復雜運算或者運算后的定標能在一條指令內完成;四是有豐富的尋址方式，可方便靈活的編程;五是有完善的片內外設，可以構成完整的單片系統(tǒng)。 　　2.1 AD8341模塊 　　根據本設計系統(tǒng)的要求特點，我們選用了AD8341模數(shù)轉換器作為信號數(shù)字處理元件。AD8341是AD公司生產的一款16位，4通道模擬數(shù)字轉換器。具有高速，低功耗的特點。在5V電壓，100kHz輸出率下，基本能量消耗是8mW，參考電壓VREF可以取500mV和VCC之間，一般情況下， VCC=+5V，VREF=+5V，fSAMPLE=100kHz,fCLK=24×fSAMPLE=2.4MHz，時鐘頻率可以滿足對加速度信號的采樣要求。 　　AD8341的外圍電路如下圖2所示，圖中，CH1, CH2, CH3分別連接到加速度傳感器的輸出端，分別代表了X, Y, Z三個方向的加速度信號，DCLK連接DSP芯片的IOPC4端口，CS連接DSP芯片的IOPE3端口，DIN連接DSP芯片的IOPC3端口，BUSY連接DSP芯片的IOPCS端口，Dout連接DSP芯片的IOPC2端口。電源分別連接0.lμF和1μF的電容，進行濾波，消除毛刺。 　　2.2 TPS7333電源模塊 　　TPS7333芯片是一款與TMS320LF2407配套使用的5V變3.3V電壓源。其體積小，功耗低，輸出電流穩(wěn)定。200ms脈沖寬度的低復位信號;非常低的漏電壓，在IO=100mA時，最大漏電壓僅為35mV;睡眠狀態(tài)下工作電流最大為0.5μA。輸出電流可以達到500mA，能夠很好的滿足DSP芯片的運行。 　　圖3是一個簡單的外圍硬件電路，在具體的電路中還要再加入相應的電容，進行濾波。由于DSP的工作頻率很高，通常在10M-100MHz,，所以濾除噪音干擾非常重要，無論電路板是否有專門的地層和電源層，都必須在電源和地之間加足夠的并且分布合理的電容。一般在電源和地的接入電路板的位置上布放一部分多種容值的電容，再將其余的大電容均勻地放在電源和地的主干線上?，F(xiàn)在流行的DSP都建議使用專門的電源層和地層，有專門電源層和地層的電路板，對于去禍電容的位置放置不像雙面板那樣苛刻。大小不同的電容能分別濾去不同頻率的噪聲，1-10μF電容能濾除50Hz噪聲，0.01-0.1μF電容能濾除100Hz噪聲。 　　2.3 加速度傳感器模塊 　　因為國內技術加工的局限性，我們只能選擇現(xiàn)有的加速度傳感器作為研究對象，在此，我們選用了在這里我們選用美國模擬器件（AD）公司生產的新型單芯片雙軸傳感器ADXL203加速度計作為我們進行信號處理的器件。ADXL203采用先進的MEMS技術，由一個利用表面微機械加工的多晶體硅機構和一個差動電容器組成。在加速度的作用下，多晶體硅結構會產生偏移，于是就會拉動電容的運動極板滑動使電容值發(fā)生變化，最終導致輸出方波的變化，利用這個原理，就可以通過差動電容檢測到加速度的變化，加速度與輸出方波成正比。 　　圖4中，電容C1, C2, C3是濾波電容，選擇合適的數(shù)值，可以很好的過濾信號輸出時產生的毛刺。ST是自檢測信號輸出口，所加電壓不能超過Vss+0.3V，加上電壓后，在輸出端可以測到750mv電壓，一般情況下，ST空置。COM是公共端口，接地。 　　在Vss取5V的時候，XOUT與YOUT的輸出與加速度是一比一成正比例的，當Vss取別的數(shù)值時，輸出電壓如式1所示: 　　（1） 　　2.4 硬件抗干擾措施 　　由于信號采集處理系統(tǒng)中，可能會有大量干擾信號引入，給整個系統(tǒng)帶來很大影響，因此，我們在設計系統(tǒng)的時候，考慮了硬件和軟件的抗干擾措施，使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定，高效地工作。由于實驗儀器經常受到電網諧波帶來的干擾而不能正常的工作，因此在實驗中，必須盡可能的減少干擾。尤其是輻射干擾，傳導干擾。 　　硬件抗干擾的措施主要有以下幾個方面： 　?。?） 采用一定的布線和屏蔽措施控制系統(tǒng)的現(xiàn)場外干擾。對重要的信號線（如采樣信號線）采用雙絞屏蔽線，以消除電磁干擾和靜電干擾;布線時，邏輯信號和模擬信號分離，信號線與電源線分離,不同的電源和接地線要分開連接。 　?。?）由于本系統(tǒng)中DSP工作頻率10MHz，除了模擬電路中送入DSP的數(shù)字信號采用光耦隔離外，送入A/D的模擬信號也可以采用線形的光耦隔離。 　?。?）去耦和信號隔離。在電路板設計中采用加粗地線、電源線，地線包圍相同功能電路。在電源輸入端跨接電解電容，以減少電壓波動，消除噪聲。在每一塊IC芯片上接入0.1μF高頻去耦電容。 3 系統(tǒng)軟件設計 　　Code Composer Studio簡稱CCS，是TI公司推出的為TMS320系列DSP軟件開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。CCS工作在Windows操作系統(tǒng)下，類似于VC++的集成開發(fā)環(huán)境，采用圖形接口界面，提供有編輯工具和工程管理工具。它將各種代碼產生工具，諸如匯編器、鏈接器、C/C++編譯器、建庫工具等集成在了一個統(tǒng)一的開發(fā)平臺中。CCS所集成的代碼調試工具具有各種調試功能，包括了原TI公司提供的C源代碼調試器和模擬器所具有的所有功能。能對TMS320系列DSP進行指令級的仿真和進行可視化的實時數(shù)據分析。此外，還提供了豐富的輸入/輸出庫函數(shù)和信號處理的庫函數(shù)，極大的方便了TMS320系列DSP軟件開發(fā)過程。CCS集成開發(fā)環(huán)境包括了設計，代碼生成，調試，分析和優(yōu)化，用戶可以從菜單中選用這些工具，直接在窗口中觀察編譯結果。 　　為了構建控制器軟件框架，使程序易于編寫、查錯、測試和維護，便于修改、更新和擴充，采用了模塊化設計，將整個軟件劃分為初始化模塊（包括所有DSP的基本輸入輸出單元的初始設置、外擴單元的檢測），信號采集模塊，數(shù)據處理模塊（離散積分、濾波等）等主要模塊。主程序采用調用子模塊來協(xié)調各個子模塊的關系，控制系統(tǒng)正常工作，由于系統(tǒng)采用了模塊化設計，各部分顯得簡潔、明快，便于修改和調試。本系統(tǒng)功能比較簡單，只是采集加速度傳感器的三路信號，然后進行運算，保存。圖5為主程序的結構圖。 　　其中，串行外設模塊的是對I/O口選擇進行設置。信號采集模塊主要負責將信號通過A/D轉換器進行采樣，濾波處理。而數(shù)據處理模塊則是將采集到的信號進行離散處理，通過一定的算法得出需要的數(shù)值，然后進行保存。 本文作者創(chuàng)新點: 　　本文主要工作是從AD公司生產的加速度傳感器ADXL203入手，詳細地分析了加速度傳感器的特性，然后利用DSP數(shù)字信號處理，對數(shù)據進行了采集處理和保存。 參考文獻: 　　[1] 劉廣玉，樊尚春，周浩敏.微機械電子系統(tǒng)及其應用.北京：北京航空航天大學出版社，2003.6，15-214 　　[2] 楊全勝.現(xiàn)代微機原理與接口技術.北京：電子工業(yè)出版社.2002，243-287 　　[3] 李永平，董欣主編.PSspice電路原理與實現(xiàn).北京：國防工業(yè)出版社,2004，16-145 　　[4] 王婷,史鐵林,趙江濱. 一種IEEE1451.4智能傳感器數(shù)據采集系統(tǒng)的實現(xiàn)[J]. 微計算機信息, 2007, 2-1: 131-133