DSP和ARM的激光粒度仪关键电路设计.

1、DSP 和 ARM 的激光粒度仪关键电路设计 DSP 和 ARM 勺激光粒度仪关键电路设计 0 概述激光粒度仪是一种最先进的、最 具有广泛发展前景的粒度测量仪器，它的测量原理基于米氏 （Mie）散射理论。 Mie 散射理论是一个经典的光散射理论，它最大的特点是可用于任何尺寸段颗 粒的测量，但它的计算相当复杂限制了数据处理速度及精度。 DSF 技术实现 MIE 散射算法有很多优点：它是专为算法计算而设计的专用 CPU 所以它运算速度 很快；与通用 CPU 相比它成本低，所以有很好的性价比；而且它的体积小， DSP 和 ARM 勺激光粒度仪关键电路设计 0 概述 激光粒度仪是一种最先进的、最具有广

2、泛发展前景的粒度测量仪器，它的测量 原理基于米氏（Mie）散射理论。Mie 散射理论是一个经典的光散射理论，它最大 的特点是可用于任何尺寸段颗粒的测量，但它的计算相当复杂限制了数据处理 速度及精度。 DSP 技术实现 MIE 散射算法有很多优点：它是专为算法计算而设计的专用 CPU 所以它运算速度很快；与通用 CPU 相比它成本低，所以有很好的性价比；而且 它的体积小，能实现仪器一体化等等优点。 ARh 具有丰富的片上资源，适合嵌 入式系统的开发，主要负责操作系统的运行、任务管理和协调以及 DSP 的控制 任务，外部可扩展 多种外设，如通用串口、 LCD 显示屏、以太网接口。 1 系统总体设计

3、及工作原理 1. 1 激光粒度仪工作原理 激光粒度仪的组成框图如图 1 所示 激光粒度仪中的光电探测器采集颗粒在一定角度范围内的散射光来得到颗粒的 粒径分布信息。由于光电探测器处在傅里叶透镜的焦平面上，因此探测器上的 任一点都对应某一确定的散射角。光电探测器阵列由一系列同心环带组成，每 一环带是一个独立的探测器，能将投射到上面的散射光能线性地转换成电压， 然后送给采集卡。该卡将电信号放大，再进行 A/ D 转换后送入计算机，按事先 编制的程序根据米氏散射理论进行数据处理，把散射谱的空间分布反演为颗粒 大小的分布。 1. 2 电路系统的总体设计 激光粒度仪电路总体框图如图 2 所示。采集电路采集

4、到的数据经过 RS232 串口 传输给 DSP 经过 DSP 勺运算后，再把 DSP 处理后得到的结果数据 RS232 经过 串口传输给 ARMI 处理器，在 ARM 处理器的触摸屏界面上显示结果。 2 电路系统具体设计方案 2. 1 数据采集电路设计 粒度仪的光电探测器是用 光电池做成多元环形，多元环形光电探测器接收散射 光的光能量，环形光电池把光能量转换为光 电流。然后经过电流电压转换器， 把电流信号转换为电压信号。再经过放大电路放大，然后输入到 A/ D 转换器, 将模拟信号转换为数字信号。然后把数字信号输入到 C805IF320 单片机，单片 机然后再传给 DSP 进行处理，如图 3

5、所示。 系统的硬件组成分为以下几个部分：环形光电探测器、数据选择部分、电流电 压转换部分、运算放大部分、模数转换部分和中央单片机控制部分。 模拟多路选择器选用 ADG506 它精度高，为 1mV 抗干扰能力强，功耗低, 价格便宜； 电流电压转换电路有起 滤波作用的电容及可调电阻，有利于调整电路参数; 滤波放大电路的二阶 Butterworth 低通滤波器截止频率为 10Hz,主要滤除工 频干扰； 模数转换电路采用的芯片是 TLC2551 此芯片是 14 位 A/D,输入电压范围 为：O-5V;理论采集精度可达 0. 3mV 受实际测试条件所限制实际测试精度 可达 0. 8mV A/D 转换时间

6、为 10m 采集速度很高；此芯片抗干扰能力强，功 耗低，性价比高； 控制电路采用 C8051F320 作为采集电路的控制芯片，它片上资源丰富，主频 高可达 25MHz 而且开发简单， 性价比高。 单片机采集来的数据通过串口发送 给 DSP 芯片。 2. 2 DSP 运算电路的设计 DSP 乍为一种用的数字信号处理器，自从问世以来， DSP 就以数字器件特有的稳 定性，可重复性，可大规模集成，特别是可编程性和易于实现自适应处理的特 点，给数字信号处理的发展带来了巨大的机遇。激光粒度仪的采集电路采集来 的数据通过RS232 串口传送给 DSP 处理器， 经过 DSP 进行算法运算， 运算完成 后再

7、通过 RS232串口传送给嵌入式 ARM 处理器显示结果。原理框图如下图 4 所 示： DSP 芯片选用 TMS320C516, TMS320C541 采用改进的哈佛结构，具有以下优 点：具有高度并行性和专用硬件乘法器和加法器的 CPU 设计，芯片性能大大提 高；程序存储器和数据存储器是相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独 立访问。本系统中设置了 16 路数据总线，32 路地址总线，其余的为控制总 线。 串并数据转换采用的芯片为 TLI6C752B,此芯片有两个串口控制器，控制器 A 和控制器 Bo D00 到 D07 为 8 位数据总线，RXA和 TXA 与 RXB 和 TXB 分别为

8、A 口 与 B 口的数据发送端口和数据接收端口。 CSA 和 CSB 分别为 A 口和 B 口的片选 端口。 RS232 电平转换电路， 采用的电平转换芯片为 MAX316C 它把 3. 3V 的 TTL 电 平转换为 RS232 电平。 2. 3 ARM 显示电路的设计 三星公司开发的 S3C2440A 是一款以 ARM920 为内核的嵌入式微处理器，它的最 高工作频率达 433MHz 内含 3 通道的异步串行口，USB 主、从单元设备接口， 摄像头接口，触摸 LCD/TFT 控制器等众多片上外设接口。 LCD 屏 TD035STED2 为 3. 5 英寸，屏幕分辨率为 320X 240,能

9、提供 262K 中色彩。 2. 4PCB 设计 PCB 设计采用的设计软件为 Protel99，PCB 设计的关键是：模拟电路部分要具 有很好的抗干扰能力和高可靠性。提高电路的抗干扰能力的方法有：元器件 布局要合理；布线要合理；覆铜要合理；金属壳接地屏蔽等。 3 实验结果分析 在完成电路系统设计的基础上，进行激光粒度仪实验。在相同环境、相同采集 电路、相同 Mie 算法条件下，分别用标准 P4 台式机和 DSP+AR 电路进行实验。 实验样品采用满足 R-R 单峰分布的粒径范围为 O. 1100 卩 m 的碳酸钙。 以上两种方式分别连续 20 次测试，相对于标准样品，实测 d50 误差在土 3%, d10 和d90 误差在土 5%之内，重复精度在土 3%以内，说明采集精度达到了仪 器标准。实验验证，此系统设计方案比标准 P4 机运算至少快 10s。 4 结束语 本