崔陽　雷軍剛　李世勛　高青松

摘 要： 高速數(shù)據(jù)采集技術廣泛應用于各類工業(yè)控制及航空、航天領域。為了實現(xiàn)星載有效載荷的高速數(shù)據(jù)采集，選用了以Ti公司DSP芯片SMJ320C6415為控制器、AD公司的高速模數(shù)轉換器AD9269的設計方案，同時對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標、抗混疊濾波器設計進行了詳細的描述。采用該設計方案的有效載荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有測量精度高、采集速度快、可擴展性好及可靠性高的的優(yōu)點，對各類高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計具有重要的指導意義。

關鍵詞： DSP； 數(shù)據(jù)采集； 噪聲濾波器； 功率譜密度

中圖分類號： TN713?34； TP368.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0059?04

Abstract： The high?speed data acquisition technology is widely used in various industrial control， aviation and aerospace fields. To realize the high?speed data acquisition of the satellite?borne payload， the design scheme taking SMJ320C6415 made by TI as the controller and high?speed chip AD9269 made by AD as the A/D converter was selected. The main technical indexes of the data acquisition system and anti?aliasing filter design are described in detail. The payload data acquisition system adopted by this design scheme has the advantages of high measurement accuracy， high?speed acquisition， good scalability and high reliability， which has important guiding significance for designing the various high?speed data acquisition systems.

Keywords： DSP； data acquisition； noise filter； power spectral density

0 引 言

隨著科學技術的進步，數(shù)據(jù)采集技術廣泛應用于人類生活的各個領域，如工業(yè)控制、航空航天、家電等。一般而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器和數(shù)據(jù)采集單元構成，其中傳感器用于將被測量（一般為非電量）轉換為電壓或電流信號（如溫度、加速度傳感器等），數(shù)據(jù)采集單元完成電壓或電流信號的采集（將模量轉換為數(shù)字量）、處理和存儲。采集結果以數(shù)字量的形式存儲，便于數(shù)據(jù)的后續(xù)分析和應用。本文以某星載有效載荷為例，選用Ti公司的高速數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320C6415為數(shù)據(jù)采集和控制單元，AD公司的高速模/數(shù)轉換器AD9269為轉換芯片，研制了適合于衛(wèi)星在軌應用的有效載荷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。文中對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術指標及其主要影響因素進行了分析，并詳細設計了對應的硬件電路，并對數(shù)據(jù)處理方法進行了說明。

1 主要技術指標說明

一般而言，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要技術指標涉及測量帶寬、測量精度（噪聲）及動態(tài)范圍。

測量帶寬：測量帶寬用于表征儀器設備的頻率探測能力。根據(jù)一般工程應用經(jīng)驗，測量帶寬指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頻響曲線中-3 dB帶寬。根據(jù)有效載荷任務需求，測量帶寬為3 MHz（-3 dB）。

測量精度（噪聲）：按GJB2715A?2009《軍事計量通用術語》定義，“測量精度”其定義為“引起相應示值產(chǎn)生可察覺到的變化的被測量值的最小變化” 。對于一般工程應用而言，測量精度在時域以“分辨率”指標約束，頻域以“功率譜密度”指標進行約束。根據(jù)有效載荷任務需求，時域測量精度為35 μV（DC～16 Hz），頻域為1 μV/Hz1/2（功率譜密度，6 Hz～3 MHz）。

動態(tài)范圍：按GJB2715A?2009定義，動態(tài)范圍指系統(tǒng)能夠測量/檢測的最大值與最小值之比。根據(jù)有效載荷任務需求，動態(tài)范圍為90 dB。

2 系統(tǒng)構成

主要模塊介紹如下所述：

（1） 濾波模塊。濾波模塊的主要部分濾波電路，其功能為抗混疊和對高頻噪聲進行衰減，以滿足精度和動態(tài)范圍需求。根據(jù)一般工程應用，濾波電路有3種：低通濾波、高通濾波和帶通濾波。圖2為濾波器抗混疊原理。依據(jù)采樣定律，數(shù)據(jù)采集時以采樣速率的整倍數(shù)對所有頻率的模擬信號進行采集，如果不設計抗混疊濾波器，則帶外高頻信號會以鏡頻的方式出現(xiàn)在測量帶寬內；

（2） 模/數(shù)變換模塊。模/數(shù)變換模塊主要有模/數(shù)變換器及外圍電路，完成對模擬信號的量化。模/數(shù)轉換器主要指標為轉換速率及數(shù)據(jù)寬度，分別與測量帶寬、測量精度和動態(tài)范圍相關；

（3） 控制單元?？刂茊卧饕獮閿?shù)字控制系統(tǒng)，完成模/數(shù)轉換器的控制、轉換結果的讀取和存儲以及數(shù)據(jù)處理等功能；

（4） 通信接口模塊。通信接口模塊主要完成測量結果的傳輸。目前，星載有效載荷數(shù)據(jù)傳輸總線接口主要有RS 422，CAN，1553B等。

3 噪聲指標分析及分配

4 主要設計方案

4.1 濾波模塊

選用有源模擬低通濾波器的方案實現(xiàn)抗混疊和高頻噪聲抑制功能。常見的低通濾波器形式有：臨界阻尼，Bessel，Butterworth，Chebyshev，Cauer等。這幾種類型的濾波器分別具有以下優(yōu)缺點：

（1） Cauer濾波器的過渡帶衰減最陡，然而由于它在阻帶上有固定波動，通帶外幅頻曲線的積分不見得小，因而對濾除高頻雜波，防止頻率混淆，并不最為有利；

（2） 臨界阻尼濾波器對方波的階躍響應完全沒有過沖，但過渡帶衰減最緩慢，這對防止頻率混疊非常不利；

（3） Chebyshev濾波器在通帶內具有紋波，但過渡帶衰減最快；

（4） Butterworth濾波器衰減較慢，通帶內平坦。

綜合幾種濾波器的特點，一般工程上選用Chebyshev和Butterworth模擬濾波器。Chebyshev型濾波器過渡帶衰減較快，因此需要的濾波器階數(shù)較少，但在通帶內具有紋波，對測量精度會產(chǎn)生影響；相反，Butterworth型濾波器通帶內平坦，但過渡帶衰減較慢，因此需要較多的階數(shù)才能完成高頻噪聲抑制功能。因此選用Butterworth型模擬低通濾波器方案。濾波器頻響如圖3所示。

濾波器噪聲與運放噪聲（電壓噪聲和電流噪聲）和電阻熱噪聲相關。濾波器頻響除了與濾波器類型、階數(shù)相關外，還與運算放大器的帶寬增益積、壓擺率等指標相關。綜合噪聲與頻響特性，選用運算放大器OP249構成Butterworth型低通濾波器。

4.2 模/數(shù)變換模塊

模/數(shù)變換模塊實現(xiàn)模數(shù)量化功能，主要設計約束為測量帶寬、噪聲指標要求。

測量帶寬要求為DC～3 MHz，由采樣定律可知，最小采樣速率為測量帶寬的2倍，即為6 MHz。設計時考慮到模/數(shù)轉換器的額定參數(shù)（降額），要求其最快轉換速率不小于10 MHz。選用AD公司的AD9269系列模/數(shù)轉換器。其具體分為AD9269?20，AD9269?40，AD9269?65，AD9269?80，共計4種型號，分別對應最高采樣速率為20 MHz，40 MHz，65 MHz，80 MHz。本系統(tǒng)選用AD9269?20即可滿足需求（4種型號所有接口完全兼容，可便于設計擴展）。

模/數(shù)轉換器AD9269具有如下技術特點：

（1） AD9269采用1.8 V單模擬電源供電，而數(shù)字輸出驅動器采用獨立的電源供電，以適應1.8～3.3 V系列的邏輯電平；

（2） 采樣保持電路在最高80 MHz的輸入頻率下仍保持出色的性能，而且成本低、功耗低、易于使用；

（3） AD9269模/數(shù)轉換器以輸入主時鐘為準，即輸入主時鐘頻率為其采樣速率。此接口便于控制和實現(xiàn)（尤其在高速系統(tǒng)中）。

為了消除共模噪聲，AD9269模擬輸入端采用差分方式。單端?差分變換可通過變壓器、差分放大器等方式實現(xiàn)，考慮到變壓器對低頻段信號不能響應，因此設計選用差分放大器，以實現(xiàn)單端?差分信號的轉換。

作為高速模/數(shù)轉換器，AD9269的輸入轉換時鐘對轉換結果和性能指標的影響尤為關鍵。因此，設計通過隔離、差分的方式實現(xiàn)轉換時鐘的輸入，可對轉換時鐘前端與AD9269之間實現(xiàn)隔離，并消除了時鐘的共模干擾，最大限度的提高了AD9269的性能。

AD9269設計采樣頻率為10 MHz，按照式（2）噪聲估算結果約為0.1 μV/Hz1/2，滿足噪聲指標分配要求。

4.3 控制模塊

控制模塊主要完成系統(tǒng)的控制、模/數(shù)轉換結果的讀取、存儲、處理及傳輸。

設計選用高速數(shù)字信號處理器（DSP）的方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸功能。目前，高速DSP主流為Ti公司的C6000系列產(chǎn)品，其最高主頻可達幾GHz。針對數(shù)據(jù)采集需求及處理需求，選用TMS320C6415高速、高性能DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器，TMS320C6415主要性能指標見表1。

可以看出，TMS320C6415最高指令速度可達600 MHz，考慮到頻率降額，設計主頻為480 MHz（降額因子為0.8）。同時，TMS320C6415具有功耗小的特點，適合于對功耗限制較多的領域應用。星載有效載荷由于在軌由太陽能電池帆板供電，其供電能力有限，因此TMS320C6415非常適合于空間應用。

兩組數(shù)據(jù)總線EMIFA口和EMIFB口，其中EMIFB口用于程序存儲和裝載，EMIFA用于與模/數(shù)變換器AD9269輸出數(shù)據(jù)總線連接。由于TMS320C6415的EMIFA口為64 b的數(shù)據(jù)寬度，因此可同時連接3路AD9269。

TMS320C6415包含3個全雙工的串行接口（多功能串行接口，Mcbsp），因此設計利用串行總線輸出數(shù)據(jù)采集結果（電平標準為RS 422）。

TMS320C6415具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，因此在其內部進行數(shù)據(jù)采集結果的FFT（頻域數(shù)據(jù)）運算，待FFT運算結果完成后輸出。

5 測試結果及分析

測試方法及測試結果如下所述：

分辨率：以10 MHz采樣速率輸出時域原始數(shù)據(jù)，樣本長度為4 096點。通過數(shù)字濾波器（Origin或Matlab軟件）將其濾波至16 Hz頻帶以內，計算4 096點數(shù)據(jù)的標準差，其結果作為DC～16 Hz頻帶內的分辨率指標。具體測試結果31 μV（DC～16 Hz），滿足指標指標需求。

噪聲（功率譜密度）：TMS320C6415以4 096點為樣本長度進行數(shù)據(jù)采集并進行FFT計算（窗函數(shù)為功率譜），以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的功率譜密度數(shù)據(jù)作為噪聲的指標。具體測試結果如圖4所示。

由圖4可以看出，噪聲（功率譜密度）測試結果中除2.001 95 MHz頻點外，其余均符合設計要求。

2.001 95 MHz噪點原因分析：由圖4可以看出，2.001 95 MHz頻點教其他頻點幅度較大（約20 dB，相當于Q值較高），一般模擬電路中很少存在此類噪聲頻點。經(jīng)過分析和驗證，此噪聲點是由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中CAN總線驅動器（用于指令輸入）用晶振頻率為16 MHz，利用濾波器抗混疊（如圖2）見原理，其在采樣頻率2次旁瓣的鏡頻點為2 MHz。測試時如將CAN總線驅動器去除（16 MHz晶振不起振），則測試結果中不出現(xiàn)2.001 95 MHz噪點。

6 結 語

本文基于DSP系統(tǒng)的高數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計，選用的Ti公司的高速信號處理器TMS320C6415，模/數(shù)轉換器選用AD公司的AD9269，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集和處理。該設計已在某星載有效載荷中成功應用，應用結果表明：該系統(tǒng)具有測量精度高、性能穩(wěn)定的特點，可應用于各類星載有效載荷的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計。

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