张文磊，赵洪亮

（山东科技大学 山东 青岛 266590）

超声波流量计是近些年来逐渐得到重视的流量测量仪表，具有无压力损失、非接触测量、适用性强、应用范围广和安装维护简单等优点，适用于高温、高压、强腐蚀性、易爆和放射性等各种流体介质和工况条件[1]。由于采用时差法进行设计，所以数据采集电路的速率对超声波流量计的测量精度有至关重要的影响。传统的高速数据采集电路，大部分需要包含FIFO单元及CPLD逻辑控制单元[2-3]，成本较高。

文中以实时MCU处理器TMS320F28335为核心，通过外部扩展接口Xintf扩展高速A/D转换器ADS805E，并使用DMA高速读取AD转换后的数据，设计了一种低成本高速数据采集电路。TMS320F28335是德州仪器（TI）公司推出的一款高性能数字信号处理器，处理能力可达150MHz，具有32位浮点处理单元，外设集成度高，包括DMA，PWM，Xintf等，能够满足高速数据采集及复杂算法处理[4]。ADS805E是德州仪器（TI）公司推出的一款12位分辨率，流水线型AD转换器。其采样频率可达20 MHz，内部集成高带宽线性采样保持器，具有高动态范围，低失真度，高信噪比（SNR）等特点[5]，能够很好的满足设计需求。

1 硬件总体结构

数据采集电路的总体结构框图如图1所示，主要由TMS320F28335核心板与数据采集电路接口两部分组成。

图1 总体结构框图Fig.1 Structure diagram of the data acquisition circuit

TMS320F28335核心板配有标准的JTAG接口、电源管理、自启动设定、复位和时钟等模块；数据采集电路接口主要包括信号调理电路、数据转换电路、控制电路及数据传输电路等几部分组成。

2 数据采集电路实现

图2给出了F28335和AD转换芯片ADS805E的接口电路图，该接口电路主要包括两部分：一部分是控制电路，包括ADS805E工作模式设置、工作使能及时钟信号信号的产生；另一部分是数据接口，主要是ADS805E转换数据的采集传输。

2.1 F28335与ADS805E接口控制电路设计

ADS805E有内部的参考电压输出，动态范围可设为2Vp-p到5Vp-p，工作使能信号及时钟信号由F28335提供，这样不仅能够充分的利用F28335丰富的GPIO及片上外设资源，还能降低设计的复杂程度，缩减设计成本。

由图2给出的接口电路中可以看出，ADS805E的SEL管脚接地，ADC的输入范围设置为0~5 V；VREF管脚和IN_管脚相连，采用内部的基准电压2.5 V；VDRV引脚与3.3 V电源相连，提供输出参考电平[5]；工作使能信号ADCSn由F28335的GPIO口输出[6]；ADCLK由F28335的ePWM1产生并通过ePWM1A输出作为ADA805的时钟信号[7]。

图2 数据采集接口电路Fig.2 Circuit of the data interface

2.2 F28335与ADS805E接口数据采集电路设计

2.3 AD时钟信号及DMA同步信号产生

经过调理的前端信号由ADS805E进行转换后以并行方式通过引脚进行输出。在本文中，F28335由外部扩展接口Xintf连接ADS805E，并由DMA高速读取AD转换后的数据。DMA配置时，将BURSTSIZE配置为0，即单字节方式读取转换后的数据，能够在保证高速读取转换数据的同时，保证数据的准确性。

由图2中可以看出，B1-B12直接与F28335的Xintf外部扩展接口D11-D0相连，由于总线为16位传输方式，所以取低12位有效；进行AD转换的同时，启动DMA进行数据传输，能够保持转换和读取的同步。

系统中采用F28335的片上外设ePWM产生AD转换所需要的时钟信号及DMA的同步信号。通过配置ePWM由ePWM1A产生占空比为50%且频率为20MHz的时钟作为ADC的采样频率；同时，由EPWM1SOCA产生与AD时钟信号同频反相的触发源，作为DMA传输的同步信号。

使用DMA方式读取AD转换数据，不仅能够有效降低CPU资源消耗，还能够避免使用中断的压栈和出栈耗时。同时，通过该方式产生的DMA同步信号能够高速准确的读取数据，而且不再需要外部逻辑控制器件CPLD进行同步干预，有利于降低设计成本。

3 数据采集软件设计

数据采集电路的软件设计主要包括系统配置及数据采集两部分。系统配置包括以下两个部分：一是F28335自身片上外设的配置，主要包括工作频率、PLL、定时器、Xintf、GPIO、ePWM、DMA以及中断向量表等；二是ADS805E的配置，包括工作模式配置、工作使能以及采样频率。数据采集部分主要由DMA负责转换数据的采集传输，CPU只负责数据处理及顺逆流数据存储区的切换工作。

图3 所示为数据采集电路的软件流程图。首先，系统上电，完成初始化，包括F28335初始化和ADS805E初始化；然后，由GPIO口输出ADS805E使能信号，启动AD转换进行数据转换，同时启动DMA读取转换后的数据；当顺流数据读取完毕后，DMA触发中断，由CPU切换超声换能器的收发，再次启动AD转换和DMA，采集逆流数据。

图3 数据采集电路的软件流程图Fig.3 Flow chart of the software design of the data acquisition circuit

在整个工作过程中，DMA与CPU并行工作。DMA主要负责转换数据的搬移。DMA工作的同时，CPU进行数据处理工作及顺逆流数据存储区的切换工作。通过该方式，能够有效的降低CPU的负载，同时提高系统的实时性。

4 数据采集测试结果

在该部分，通过采集中心频率为1 MHz的超声波信号回波对该数据采集电路进行测试。通过集成开发环境CCS进行硬件仿真，在中断服务程序中设置断点，由CCS的图形观察工具Graph观察采集到的数据波形。测试中，F28335的工作频率为150 MHz，ADS805E的采样频率为20 MHz，显示缓冲区的大小为1 k。测试结果如图4所示。

图4 1MHz的超声波信号波形Fig.4 Waves of 1MHz ultrasonic signal

图4 为所采集到的频率为1 MHz的超声波信号波形，包括上半部分的顺流信号波形和下半部分的逆流信号波形。从图中可以看出，信号完整光滑，没有明显的突变现象，表明该数据采集电路的高性能，并且能够完整的采集超声回波波形，满足超声波流量计的设计需求。

5 结 论

文中针对超声波信号的采集，设计了一种低成本的高速数据采集电路解决方案。该方案利用F28335较高的片上外设集成度，省却了传统高速数据采集系统中所需要的FIFO缓冲单元及CPLD逻辑控制单元，压缩了设计成本；同时，采用DMA高速读取转换后的数据，能够节省CPU资源，从而保证了系统的实时性。该电路最高采样频率可达20 MHz，能够满足超声波流量计的设计需求。

[1]李利品.基于DSP的高精度超声波流量控制系统[J].仪表技术与传感器，2009（5）：132－133.LI Li-pin.High precision ultrasonic flux control system based on DSP[J].Instrument Technique and Sensor，2009（5）：132－133.

[2]刘士影，吴学杰，胡志群.基于DSP高速数据采集系统[J].工业控制计算机，2011，24（1）：65－66.LIU Shi-ying，WU Xue-jie，HU Zhi-qun.High-speed data acquisition system based on DSP[J].Industrial Control Computer，2011，24（1）：65－66.

[3]彭超.基于DSP的高速数据采集系统的研究[D].吉林：吉林大学，2009.

[4]苏奎峰，邓志东.TMS320x28xxx原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]Texas Instruments Incorporated.12－Bit，20MHz Sampling Analog-To-Digital Converter[EB/OL].[2013－03－10].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/ads805.pdf.

[6]Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，2823x System Control and Interrupts Reference Guide （Rev.D）[EB/OL].[2013－03－10]http：//www.ti.com/lit/ug/sprufb0d/sprufb0d.pdf.

[7]Texas Instruments Incorporated.TMS320x2833x，2823x Enhanced Pulse Width Modulator（ePWM）Reference Guide（Rev.A）[EB/OL].[2013－03－10]http：//www.ti.com/lit/ug/sprug04a/sprug04a.pdf.