关键字: 信号处理; 传感器; DSP; 模块
1 引言
人类科技的发展现在可以说是日新月异，当人们正沉浸在模拟电子技术给我们带来的生活革新时，谁能这么快就想得到在相隔没多长时间的今天，我们就在享受着数字信号处理技术给我们带来的更大方便和辉煌业绩。本文主要是基于DSP的数字式ADXL203加速度传感器的应用设计研究。论文进行了总体方案设计，控制系统的硬件电路设计与软件程序设计。
2 系统硬件设计
本系统设计包括：编程逻辑器件接口，数字量扩展单元，传感器信号产生单元，A/D转换单元，电源管理模块（提供5V，3.3V）和数据存储器等，将TMS320LF2407的资源全部引出。如图1所示。
本系统选择用DSP作为加速度传感器信号处理的器件。采用了TI公司生产的TMS320LF240x控制器作为数字信号处理芯片。这是一款高性能的DSP芯片。这款DSP在总体结构设计上有很多独特的地方：一是采用多组总线结构实现并行处理机制，允许CPU同时进行程序指令和存储数据的访问;二是采用了独立的累加器和乘法器，使复杂的乘法运算能快速运行;三是累加器和乘法器分别连接了比例移位器，使得许多复杂运算或者运算后的定标能在一条指令内完成;四是有丰富的寻址方式，可方便灵活的编程;五是有完善的片内外设，可以构成完整的单片系统。
2.1 AD8341模块
根据本设计系统的要求特点，我们选用了AD8341模数转换器作为信号数字处理元件。AD8341是AD公司生产的一款16位，4通道模拟数字转换器。具有高速，低功耗的特点。在5V电压，100kHz输出率下，基本能量消耗是8mW，参考电压VREF可以取500mV和VCC之间，一般情况下， VCC=+5V，VREF=+5V，fSAMPLE=100kHz,fCLK=24×fSAMPLE=2.4MHz，时钟频率可以满足对加速度信号的采样要求。
AD8341的外围电路如下图2所示，图中，CH1, CH2, CH3分别连接到加速度传感器的输出端，分别代表了X, Y, Z三个方向的加速度信号，DCLK连接DSP芯片的IOPC4端口，CS连接DSP芯片的IOPE3端口，DIN连接DSP芯片的IOPC3端口，BUSY连接DSP芯片的IOPCS端口，Dout连接DSP芯片的IOPC2端口。电源分别连接0.lμF和1μF的电容，进行滤波，消除毛刺。
2.2 TPS7333电源模块
TPS7333芯片是一款与TMS320LF2407配套使用的5V变3.3V电压源。其体积小，功耗低，输出电流稳定。200ms脉冲宽度的低复位信号;非常低的漏电压，在IO=100mA时，最大漏电压仅为35mV;睡眠状态下工作电流最大为0.5μA。输出电流可以达到500mA，能够很好的满足DSP芯片的运行。
图3是一个简单的外围硬件电路，在具体的电路中还要再加入相应的电容，进行滤波。由于DSP的工作频率很高，通常在10M-100MHz,，所以滤除噪音干扰非常重要，无论电路板是否有专门的地层和电源层，都必须在电源和地之间加足够的并且分布合理的电容。一般在电源和地的接入电路板的位置上布放一部分多种容值的电容，再将其余的大电容均匀地放在电源和地的主干线上。现在流行的DSP都建议使用专门的电源层和地层，有专门电源层和地层的电路板，对于去祸电容的位置放置不像双面板那样苛刻。大小不同的电容能分别滤去不同频率的噪声，1-10μF电容能滤除50Hz噪声，0.01-0.1μF电容能滤除100Hz噪声。
2.3 加速度传感器模块
因为国内技术加工的局限性，我们只能选择现有的加速度传感器作为研究对象，在此，我们选用了在这里我们选用美国模拟器件（AD）公司生产的新型单芯片双轴传感器ADXL203加速度计作为我们进行信号处理的器件。ADXL203采用先进的MEMS技术，由一个利用表面微机械加工的多晶体硅机构和一个差动电容器组成。在加速度的作用下，多晶体硅结构会产生偏移，于是就会拉动电容的运动极板滑动使电容值发生变化，最终导致输出方波的变化，利用这个原理，就可以通过差动电容检测到加速度的变化，加速度与输出方波成正比。
图4中，电容C1, C2, C3是滤波电容，选择合适的数值，可以很好的过滤信号输出时产生的毛刺。ST是自检测信号输出口，所加电压不能超过Vss+0.3V，加上电压后，在输出端可以测到750mv电压，一般情况下，ST空置。COM是公共端口，接地。
在Vss取5V的时候，XOUT与YOUT的输出与加速度是一比一成正比例的，当Vss取别的数值时，输出电压如式1所示:
（1）
2.4 硬件抗干扰措施
由于信号采集处理系统中，可能会有大量干扰信号引入，给整个系统带来很大影响，因此，我们在设计系统的时候，考虑了硬件和软件的抗干扰措施，使得系统可以稳定，高效地工作。由于实验仪器经常受到电网谐波带来的干扰而不能正常的工作，因此在实验中，必须尽可能的减少干扰。尤其是辐射干扰，传导干扰。
硬件抗干扰的措施主要有以下几个方面：
（1） 采用一定的布线和屏蔽措施控制系统的现场外干扰。对重要的信号线（如采样信号线）采用双绞屏蔽线，以消除电磁干扰和静电干扰;布线时，逻辑信号和模拟信号分离，信号线与电源线分离,不同的电源和接地线要分开连接。
（2）由于本系统中DSP工作频率10MHz，除了模拟电路中送入DSP的数字信号采用光耦隔离外，送入A/D的模拟信号也可以采用线形的光耦隔离。
（3）去耦和信号隔离。在电路板设计中采用加粗地线、电源线，地线包围相同功能电路。在电源输入端跨接电解电容，以减少电压波动，消除噪声。在每一块IC芯片上接入0.1μF高频去耦电容。
3 系统软件设计
Code Composer Studio简称CCS，是TI公司推出的为TMS320系列DSP软件开发的集成开发环境（IDE）。CCS工作在Windows操作系统下，类似于VC++的集成开发环境，采用图形接口界面，提供有编辑工具和工程管理工具。它将各种代码产生工具，诸如汇编器、链接器、C/C++编译器、建库工具等集成在了一个统一的开发平台中。CCS所集成的代码调试工具具有各种调试功能，包括了原TI公司提供的C源代码调试器和模拟器所具有的所有功能。能对TMS320系列DSP进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析。此外，还提供了丰富的输入/输出库函数和信号处理的库函数，极大的方便了TMS320系列DSP软件开发过程。CCS集成开发环境包括了设计，代码生成，调试，分析和优化，用户可以从菜单中选用这些工具，直接在窗口中观察编译结果。
为了构建控制器软件框架，使程序易于编写、查错、测试和维护，便于修改、更新和扩充，采用了模块化设计，将整个软件划分为初始化模块（包括所有DSP的基本输入输出单元的初始设置、外扩单元的检测），信号采集模块，数据处理模块（离散积分、滤波等）等主要模块。主程序采用调用子模块来协调各个子模块的关系，控制系统正常工作，由于系统采用了模块化设计，各部分显得简洁、明快，便于修改和调试。本系统功能比较简单，只是采集加速度传感器的三路信号，然后进行运算，保存。图5为主程序的结构图。
其中，串行外设模块的是对I/O口选择进行设置。信号采集模块主要负责将信号通过A/D转换器进行采样，滤波处理。而数据处理模块则是将采集到的信号进行离散处理，通过一定的算法得出需要的数值，然后进行保存。
本文作者创新点:
本文主要工作是从AD公司生产的加速度传感器ADXL203入手，详细地分析了加速度传感器的特性，然后利用DSP数字信号处理，对数据进行了采集处理和保存。
参考文献:
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[2] 杨全胜.现代微机原理与接口技术.北京：电子工业出版社.2002，243-287
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