基于ADS1255的地震信息采集模块设计

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引言

基于震前电磁波异常的客观事实，地震预报中，利用电磁辐射异常所具有的短临反映能力，能够正确采集临震电磁信息，从而在地震预报起着重要作用。本文提出一种基于ADS1255的地震信息数据采集模块的解决方案。

2 系统硬件设计

该地震信息采集模块的主采集控制器选用高性能数字信号处理器(DSP)TMS320F2812。该器件特别适用于大批量数据处理的测控场合。在地震信息采集模块中，TMS320F2812主要负责控制ADS1255以及滤波处理相应的数据。图1为地震信息采集模块设计框图。


由于该信息采集模块采用SPI总线与A／D转换器通信，因此，当需扩展为4通道时，只需用TMS320F2812的4个I／O端口作为ADS1255的片选端即可，而SPI的时钟线和数据线均可共享。为了提高数据的可靠性与精度，需对A／D转换器传输的24位数据进一步滤波。考虑到滤波时DSP需处理大量数据，因此通过TMS320F2812自带的外部存储接口扩展512 KB的RAM，作为该系统程序运行的数据空间。此外，TMS320F2812的串口A与串口型的GPS模块相连，用于整个信息采集模块的授时时钟。为使A／D转换器采样准确可靠，DSP与A／D转换器采用独立的电源系统，SPI信号线均需通过隔离电路进行隔离。

2．1 ADS1255电路设计

ADS1255是一款高性能的A/D转换器，其内部集成多路选择开关(MUX)、可编程增益控制器(PGA)、四阶△-∑调制器、可编程数字滤波器等，具有极低的噪声，可满足高精度的测量要求。ADS1255能够接收输入幅度为0～5 V的信号，若超出该范围，器件将损坏，因此，若需采集的信号不在该范围内，首先需将其线性变化为0～5 V之内，才能输入到ADS1255。

图2为ADS1255的应用电路。输入信号首先经过由R3、R4、R5组成的电阻网络，可将-10～+10 V的信号转换为0～5 V。ADS1255可配置成一个差分输入或两个单端输入，因此，该设计采用差分输入方式测量单端输入。其实现方法比较简单，需采集的信号输入到ADS1255差分输入的正端AIN0，参考电压2．5 V输入到差分输入负端AIN1，同时需设置ADS1255内部的PGA=2。这样可提高ADS1255的输入动态范围。


2．2 参考电压电路设计

该信息采集模块采用独立外部参考电压器件REF5025提供2．5 V的参考电压，该器件具有低噪声，低漂移，高精度等特性，特别适用于16位以上的A/D转换系统。图3为基于REF5025的参考电压缓冲电路。


2．3 SPI接口隔离电路的设计

该信息采集模块的隔离电路采用专门的隔离器件ADUM1402实现，该器件是ADI公司生产的基于磁耦隔离技术的通用型四通道数字隔离器。磁耦隔离技术是一种基于芯片尺寸的变压器隔离技术，而非传统的光电耦合器所采用的发光二极管与光敏三极管的组合。由于其取消了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，因此其功耗仅为光电耦合器的1／10～1／6，同时具有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。图4为ADUM1402的应用电路。


3 采集模块软件设计

由于ADS1255采用的是△-∑结构，因此其上电后就开始以FCLK／4的固定速率调制输入信号，然后以默认30 kb／s(晶振为7．68 MHz时)的速率更新其内部的转换结果寄存器。上电后，TMS320F2812首先要对ADS1255进行相应设置，如设置PGA，ADS1255转换结果输出速率，选择输入通道号，以及当完成上述设置后需要进行相应的自我校验。图5为该地震信息采集模块的主程序流程。该地震信息采集模块在进行多通道数据采样时，首先切换到通道1并进行第1次转换，等到转换结束后，再次启动转换，等待转换结果，读取ADC结果。然后切换到通道2并进行第2次转换，操作过程与通道1相同，依次再切换到通道3，4，…最终完成所有通道的转换。系统对ADS1255主要操作有：设置其寄存器，读取其寄存器以及向其发送命令(包括读取转换数据的命令)。


4 结束语

将该模块实际应用于临震电磁信息采集系统中，采用4片ADS1255采集地震计传输的超低频的东西、南北方向信息以及点频的东西、南北方向地震信息，DSP轮流采集上述4通道信号，经过滤波后通过串口发送给上位机显示。在实际应用ADS1255时，需要注意以下问题：

(1)每次设置过ADS1255的数据输出速率、改变PGA或者改变输入通道后均需要发送校验命令给ADS1255，以此消除ADS1255的偏移误差和增益误差。当每次上电以后，建议发送ADS1255自我校验命令。

编辑：博子