（文章來源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，作者：詹慶才；吳命利；曹篤峰；許楊）

如今，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)很多，有基于數(shù)字信號處理器DSP設(shè)計的，也有基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA設(shè)計的，這些采集系統(tǒng)盡管采集處理數(shù)據(jù)能力不差，但大多都采用傳統(tǒng)授時模式。

而異地同步測量是工程中經(jīng)常用到的方法，如果用傳統(tǒng)的授時模式，其時鐘頻率的產(chǎn)生是用晶體，而晶體會老化，易受外界環(huán)境變化及長期的精度漂移影響，造成授時精度下降，這樣異地同步測量的數(shù)據(jù)其實(shí)在理論上已經(jīng)不再同步、同時了。本系統(tǒng)采用GPS新型授時方法，結(jié)合DSP技術(shù)和USB通信技術(shù)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能較好地解決這個問題。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體硬件構(gòu)成與工作原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬量輸人、同步采樣控制、A／D轉(zhuǎn)換以及微處理器和接口組成，如圖1所示。

模擬量輸入部分設(shè)有多個通道（如16路），可用來對若干路電壓和若干路電流同時測量。來自PT或CT副邊的電壓或電流，經(jīng)隔離變換、模擬低通濾波后，被建立在GPS時間基準(zhǔn)上的同步采樣系統(tǒng)所采樣，經(jīng)依次A／D轉(zhuǎn)換后按順序放入固定RAM區(qū)。DSP根據(jù)遞歸DFT算法，每來一個新的采樣點(diǎn)計算一次所有被測量的各相基波分量，然后利用GPS接收器串口提供的時間信息和數(shù)據(jù)窗第一個采樣點(diǎn)的順序編號，給計算結(jié)果置以便于識別的“時間標(biāo)簽”。計算得出的各相量連同其時間標(biāo)簽按照一定的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)過DSP總線和USB2.0數(shù)據(jù)線送往PC上位機(jī)進(jìn)行處理和分析。

2 基于GPS授時的同步采樣控制單元

同步采樣是實(shí)現(xiàn)異地同步測量的關(guān)鍵技術(shù)，只有各測量點(diǎn)的采樣是同步進(jìn)行的，同一時刻計算出的相量具有統(tǒng)一的參考時問基準(zhǔn)，其相位關(guān)系才可直接進(jìn)行比較。本文討論了無線電廣播、LORANC、OMEGS、GOES、GLO-NASS、GPS這六種不同的授時方法。這些授時方法的誤差比較如表1所列。

通過比較不難看出，傳統(tǒng)的時鐘同步方法由于受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素的影響，在精度和實(shí)用性上很難滿足異地同步測量的要求；只有GPS精密授時方法的優(yōu)越性能滿足要求。為此，本文所介紹的是一種基于GPS時間信號的最新時鐘同步方法。

2.1 GPS系統(tǒng)簡介

GPS（Global Positioing System，全球定位系統(tǒng)）是美國研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備組成。空間部分主要由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。在地球的任意處（有360°的視野）至少可以看到3顆衛(wèi)星（根據(jù)筆者實(shí)際用的情況看）。地面控制部分包括監(jiān)測站、主控站和注入站。用戶設(shè)備就是GPS接收機(jī)，本系統(tǒng)所選擇的接收機(jī)是GPS-OEM板（型號是GPS15L，在2.3小節(jié)會詳細(xì)討論），它根據(jù)自己時鐘和接收到的導(dǎo)航電文計算出接收機(jī)（天線）所在的位置和GPS時間。

2.2 GPS授時原理

目前的定時型GPS接收機(jī)，在其內(nèi)部時鐘與GPS時間同步后，將給出與UCT時間同步的1 pps（秒脈沖）信號及其對應(yīng)的時間代碼，如圖2所示。

2.3 同步采樣控制單元硬件

在設(shè)計該模塊時，選擇Garmin 公司研制開發(fā)的GPS15L OEM板和單片機(jī)AT89C51分別作為GPS接收機(jī)和控制器。該模塊體現(xiàn)了整個系統(tǒng)要用到的GPS授時技術(shù)，工作原理如下：系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機(jī)通過串口TXD實(shí)現(xiàn)對GPS15L板初始化，設(shè)置GPS接收機(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式。初始化完畢后，GPS15L板會給出相應(yīng)信息，單片機(jī)識別到這些信息后，開始接收GPS15L板傳送來的時間數(shù)據(jù)，并對它進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換成北京時間輸出。如圖3所示，單片機(jī)AT89C51的串行口RXD、TXD分別和 GPS15L板的TXD1、RXD1連接起通信作用。由于TXD既要在上電時給GPS15L板發(fā)出初始化命令，又要在初始化完畢后傳送北京時間，因此為了不使兩階段的工作相互影響，用P1.0口線和若干邏輯門來控制通信的先后順序。GPS15L板初始化后，還會輸出秒脈沖信號。1pps信號有一路作為單片機(jī)的外部中斷源，以實(shí)現(xiàn)時間信息的同步處理，另外也用來監(jiān)測信號是否正常。還有一路信號可由單片機(jī)P1.1口進(jìn)行控制，根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果決定是否需要將其傳送給下一級控制器。

另外，本電路選用的高穩(wěn)晶振是OCXO型號的穩(wěn)補(bǔ)晶體振蕩器，其工作頻率為1 MHz，頻差不大于10-7。它輸出的振蕩信號經(jīng)過整形、電平轉(zhuǎn)換變?yōu)檫m合TTL電路的電平，經(jīng)計數(shù)器分頻后得到滿足采樣率要求的時鐘信號（采樣率可調(diào)）。該時鐘信號每隔1 s被1 pps信號的上升沿同步1次，使之運(yùn)行在GPS時間基準(zhǔn)上。由于1 MHz晶振的穩(wěn)定度很高，1 s內(nèi)漂移不超過1μs，因此得到的同步采樣脈沖精度很高。

3 ADC與DSP的接口部分

DSP芯片采用美國德州儀器（Texas Instruments）公司研制的數(shù)字信號處理器TMS320F2812。它是一個32位定點(diǎn)運(yùn)算、集成度高、性價比高的DSP芯片。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用ADS8361作為片外ADC模塊，雖然TMS320F2812有16通道的12位ADC，但是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換精度，增加了片外外設(shè)ADS8361。ADS8361是2+2通道，16位的A／D轉(zhuǎn)換器；它同ADS7861（12位）完全兼容，可以與F2812數(shù)字信號處理器直接接口使用。它是由四通道差分輸入分成兩組分別連接到獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器上的，可以完成雙信號的同時采集，最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到500 kHz。它工作在50 kHz頻率時具有極強(qiáng)的抗干擾能力，特別適合數(shù)據(jù)采集的高采樣率要求的場合。此外，ADS8361還提供高速雙串行接口，可以有效地減少軟件開銷，并且功耗非常低，只有150 mW。

3.1 ADS8361與TMS320F2812接口電路設(shè)計

TMS320F2812處理器提供多通道緩沖串口（McBSP）和串行外設(shè)接口（SPI），兩種串口都可以與ADS8361接口。根據(jù)設(shè)計的需要，本系統(tǒng)采用的是McBSP的接口擴(kuò)展方式。在ADS8361與TMS320F2812的接口硬件設(shè)計時，為避免數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生振鈴，特意考慮在DSP與 ADS8361之間增加吸收電阻。由于TMS320F2812只有一個McBSP接口，因此必須將ADS8361設(shè)置在模式2和模式4。 TMS320F2812與ADS8361的硬件接口電路如圖4所示，ADS8361的CLOCK、（RD+CONVST）和SDA引腳分別連接到 McBSP的CLKX、（FSX+FSR）和DR引腳。由于McBSP上只連接一個A／D轉(zhuǎn)換芯片，片選信號（CS）直接接地，如果需要擴(kuò)展多個A／D轉(zhuǎn)換芯片，則可以采用GPIO控制片選信號；同時使用通用I／O控制ADS8361的工作模式，使M0=0，M1=1；DX控制ADS8361的通道選擇。

3.2 模擬輸入信號調(diào)理電路的設(shè)計

電力系統(tǒng)的相電流和相電壓分別經(jīng)過CT和PT變換后，輸出為標(biāo)準(zhǔn)±10 V的模擬電壓信號。此模擬電壓信號需要經(jīng)過前端的低通濾波器，濾除不必要的高頻噪聲信號，以及將模擬輸入信號范圍由±10 V變換成后端A／D所能接受的信號范圍。每一路的模擬調(diào)理電路如圖5所示。

4 USB接口通信電路部分

通信電路采用USB接口，USB接口芯片選用Cypress公司的CY7C68001。CY7C68001與TMS320F2812的連接電路如圖6所示。

CY7C68001作為TMS320F2812的外設(shè)，采用異步存儲器接口與TMS320F2812相連接，上位PC機(jī)可以喚醒CY7C68001，也可以配置USB芯片。USBCS是CY7C68001的片選信號線，在USBCS為低電平時，CY7C68001采用異步讀寫方式完成二者之間的數(shù)據(jù)和命令的交換。

CY7C68001有兩種對外接口，分別是FIFO數(shù)據(jù)接口和命令口。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將這兩種對外接口配置在地址范圍是0x004000～0x004004 的空間，分配如表2所列。TMS320F2812通過CY7C68001的FIFO數(shù)據(jù)接口可以訪問4個1 KB的FIFO中的數(shù)據(jù)，而FIFO數(shù)據(jù)接口的選擇是通過控制地址線A［2：0］來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)TMS320F2812的地址線A［2：0］為100B時，選中CY7C68001的命令口，然后通過命令口可以訪問37個寄存器、Endpoint0緩沖器（64字節(jié)FIFO）和描述表（500字節(jié)FIFO）等。如果將Endpoint0緩沖器和描述表也看成寄存器，那么單個命令口內(nèi)含了眾多的寄存器，對這些寄存器進(jìn)行讀／寫訪問采用二次尋址方式，即首先通過命令口將要尋址的寄存器子地址和操作類型（讀操作或?qū)懖僮鳎懭耄缓笤偻ㄟ^命令口將數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭胂鄳?yīng)的寄存器。

CY7C68001還有一個中斷信號USBINT和4個狀態(tài)信號（USBREADY、FLAGA、FLAGB、和FLAGC）。中斷信號USBINT占用 TMS320F2812的外部中斷XINT1，狀態(tài)信號USBREADY、FLAGA、FLAGB和FLAGC配置在另一個擴(kuò)展的寄存器中， TMS320F2812可對其進(jìn)行查詢，從而得到USB的狀態(tài)。USB芯片的WAKEUP也配置在另一個擴(kuò)展的寄存器中，TMS320F2812通過對這個寄存器的寫操作達(dá)到喚醒USB的目的。

5 系統(tǒng)的軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分包括主程序和各中斷程序以及系統(tǒng)與上位PC機(jī)的USB通信程序。主程序完成各變量及串行口的初始化，并利用傅里葉變換算法計算出各采樣點(diǎn)的實(shí)部和虛部。中斷程序包括A／D轉(zhuǎn)換程序、GPS時間信息的讀取程序等。本文重點(diǎn)介紹用于讀取GPS接收器串口輸出的中斷響應(yīng)程序的設(shè)計思路，程序流程如圖7所示。

6 電源設(shè)計

電源電路采用降額設(shè)計，并采用高精度電源電路，可保證供電系統(tǒng)的可靠性。

① ADS8361的內(nèi)部參考電源為+2.5 V。

② GPS15L OEM板的供電電壓為3.3～5.4 V，GPS接收天線的供電電壓為3.0 V。

③ TMS320F2812要求雙電源（1.9 V和3.3 V）為CPU、Flash、ROM、ADC和I／O接口供電。

當(dāng)上電時，為了保證芯片內(nèi)各個模塊的正確復(fù)位，TMS320F2812供電需要滿足一定的時序。該系統(tǒng)先給所有+3.3 V的電源引腳（VDDIO、VDD3VFL、VDDA1、VDDA2、VDDREF）上電，再接通1.9 V（VDD、VDD1）的芯片內(nèi)核電源；當(dāng)VDDIO的電壓上升到2.5 V時，VDD才上升到0.3 V，這樣才能保證片內(nèi)各個模塊上電時能正確復(fù)位。掉電時，在VDD下降到1.5 V之前，系統(tǒng)復(fù)位。這樣才能保證在VDD、VDDIO掉電之前片內(nèi)Flash模塊正確復(fù)位。該系統(tǒng)設(shè)計中，選用TI公司提供的雙電源輸出、Low- Dropout型電源TPS76801QDR來給TMS320F2812供電，實(shí)現(xiàn)上述的供電時序。

結(jié) 語

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為四通道，A／D轉(zhuǎn)換精度為16位，轉(zhuǎn)換精度高并且抗干擾能力極強(qiáng)，通過USB能夠?qū)崟r海量傳輸所采集到的數(shù)據(jù)。另外最重要的是，用GPS 授時模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)授時模式，特別適合需要異地同步采集的場合。例如：在高速電氣化鐵道電氣參數(shù)參量中，為了能夠同步獲得列車電流、位置以及鋼軌電位、鋼軌電流、吸上線電流，只需要在列車上和鋼軌地面兩個測量點(diǎn)同時使用同樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這樣測得的相量數(shù)據(jù)就有統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，便于科學(xué)地分析這些參數(shù)。

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