基于ADS1255的地震信息采集模块设计
基于ads1255的地震信息采集模块设计
1 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。
(2)pcb布线时，注意将ads1255数字地与模拟地采用同一个地，同时避免数字噪声器件使用该地，如微处理器。同时，必须给ads1255的数字电源与模拟电源输入端并联一只小陶瓷电容和大钽电容。
(3)参考电压对a/d转换器性能至关重要，若采用外部参考电压，需保证其极低的温漂和噪声，特别是在低采样速率的情况下,参考电压电路需特殊处理，以此保证转换性能。
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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
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4 结束语
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(2)pcb布线时，注意将ads1255数字地与模拟地采用同一个地，同时避免数字噪声器件使用该地，如微处理器。同时，必须给ads1255的数字电源与模拟电源输入端并联一只小陶瓷电容和大钽电容。
(3)参考电压对a/d转换器性能至关重要，若采用外部参考电压，需保证其极低的温漂和噪声，特别是在低采样速率的情况下,参考电压电路需特殊处理，以此保证转换性能。
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