一种基于DSP的高精度极弱磁场信号检测系统

技术领域

本发明属于传感器检测技术领域，尤其涉及一种基于DSP的高精度极弱磁场信号检测系统。

背景技术

地面环境中在着频带宽、变化大的时变磁场，包括幅值约为50μT的地磁场与人类活动产生的磁场，这些信号淹没了一些内涵丰富的微弱磁场信号，例如神经电流在距离大脑10cm处产生的磁场仅为1-100fT，稀有气体极化后在距离气室5cm处产生的磁场为pT量级，分别仅是地磁场幅值的十亿分之一和百万分之一。这些信号具有极高的科学研究价值，但是要对这些极弱磁场信号进行检测与处理，需要解决两个难题，第一，弱磁信号的检测需要高精度、高分辨率的原子磁强计、光泵磁强计等弱磁传感器，传感器的输出信号为低幅值的模拟信号，通常需要前端信号放大电路对信号进行放大、滤波处理，因此需要信号处理芯片具有外部扩展功能。第二，弱磁信号的处理需要复杂的数学运算，这要求所用控制芯片具有快速的编程功能和高速高精度的数据处理功能。

DSP数字信号处理器是信息处理领域中常见的一种处理器，可以根据应用需求的不同并搭配不同模块进行非标设计，可以实现不同的功能。DSP系列包括C3x、C2000、C6000系列，其中C3x为TI公司的第一代浮点DSP，性能较低，且不具备更新的能力。C6000系列DSP性能较高、运行速度快，但没有相关外设接口，难以实现外部扩展；而C2000系列基于32bitDSP架构，一般只具有CAN接口，不支持外部存储总线，不能满足系统扩展需要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于DSP的高精度极弱磁场信号检测系统以实现快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，能够简化开发程序，缩短开发周期，降低开发成本，能够满足系统拓展的需要以实现快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，能够简化开发程序，缩短开发周期，降低开发成本，能够满足系统拓展的需要。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于DSP的高精度极弱磁场信号检测系统，包括采用TMS320F28335的DSP芯片、电源模块、电平转换模块、通讯模块、接口模块、高精度AD采集模块、DA转换模块；

所述的DSP芯片通过所述接口模块与所述电源模块、电平转换模块、通讯模块、高精度的AD采集模块、DA转换模块分别连接；

所述电源模块与DSP芯片、高精度AD采集模块、DA转换模块分别连接，用于供电；

所述高精度AD采集模块一端与磁传感器模块连接，一端与电平转换模块和DSP芯片分别连接；

所述DA转换模块一端与DSP芯片和电平转换模块分别连接，另一端与功率放大模块连接，用于输出控制信号；

所述通讯模块用于连接DSP芯片与上位机，用于信号控制；

所述电平转换模块用于DSP芯片、高精度AD采集模块、DA转换模块的供电。

进一步地，还包括时钟电路；所述时钟电路与所述DSP芯片连接；所述时钟电路为外部时钟电路，所述外部时钟电路的晶振供电电压为3.3V或1.9V。

进一步地，所述时钟电路的晶振频率30MHz。

进一步地，所述电平转换模块包括2个电平转换模块TPS7A3901，1个电平转换模块TPS767D301。

进一步地，所述高精度AD采集模块为串行数据输出，通过SPI接口与所述DSP芯片连接。

进一步地，所述通讯模块为RS232接口模块，隔离收发电路及至少一个电阻；通过两路RS232总线接口与所述DSP芯片连接。

进一步地，所述高精度AD采集电路还包括3个电磁信号调理电路、分压网络、以及隔离放大电路；通过串行通道数模接口与所述DSP芯片连接。

进一步地，所述接口模块的TRST引脚连接4.7kΩ下拉电阻；EMUO、EMU1、TCK引脚和TCKRET引脚均连接4.7kT上拉电阻，并连接3.3V电平。

进一步地，包括控制板与核心板，所述DSP芯片、通讯模块、接口模块位于核心板，所述电源模块、电平转换模块、高精度AD采集模块、DA转换模块位于控制板，控制板与核心板通过连接座连接。

进一步地，所述控制板端面在四个角分别设置有一个直径2.5mm的通孔；所述控制板在侧面设置传感器输入接口，用于连接磁传感器；所述控制板在侧面设置传感器输入信号接口，用于连接功率放大模块。

有益效果：

本发明采用DSP系列的TMS320F28335芯片，具有良好可拓展性，可实现快速编写控制算法从而简化开发程序，搭配高精度AD芯片可实现高精度的数据处理功能，从而缩短开发周期，降低开发成本，满足系统拓展的需要。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于DSP的高精度极弱磁场信号检测系统的结构示意图；

图2是本发明的时钟连接方式示意图；

图3是本发明提供的晶振模块示意图；

图4是本发明提供的电平转换模块示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

要说明的是，TMS320F28335型数字信号处理器TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器，该芯片基于CMOS工艺，主频高达150MHz，具有高性能32位CPU和哈佛总线架构，512KB闪存和68KBRAM，能够拓展多种接口。与其他系列的DSP芯片相比，该型号的精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储量大、A/D转换更精确快速等优点。

如如图1所示，本发明实施例提供的一种基于DSP的高精度极弱磁场信号检测系统，包括采用TMS320F28335的DSP芯片、电源模块、电平转换模块、通讯模块、接口模块、高精度AD采集模块、DA转换模块，其中电平转换模块包括2个电平转换模块TPS7A3901，1个电平转换模块TPS767D301。

所述的DSP芯片通过所述接口模块与所述电源模块、电平转换模块、通讯模块、高精度AD采集模块、DA转换模块分别连接；

所述电源模块与DSP芯片、高精度AD采集模块、DA转换模块分别连接，用于供电；

所述高精度AD采集模块一端与磁传感器模块连接，一端与电平转换模块和DSP芯片分别连接；

所述DA转换模块一端与DSP芯片和电平转换模块分别连接，另一端与功率放大模块连接，用于输出控制信号；

所述通讯模块用于连接DSP芯片与上位机，用于信号控制；

所述电平转换模块包括2个电平转换模块TPS7A3901，1个电平转换模块TPS767D301，分别用于DSP芯片，高精度AD采集模块、DA转换模块的供电。

所述时钟电路与所述DSP芯片连接；所述时钟电路为外部时钟电路，所述外部时钟电路的晶振供电电压为3.3V或1.9V。所述时钟电路的晶振频率30MHz。

所述高精度AD采集模块为串行数据输出，通过SPI接口与所述DSP芯片连接。

进一步，所述通讯模块为RS232接口模块，隔离收发电路及至少一个电阻；通过两路RS232总线接口与所述DSP芯片连接。

进一步，所述高精度AD采集电路还包括3个电磁信号调理电路、分压网络、以及隔离放大电路；通过串行通道数模接口与所述DSP芯片连接。

进一步，所述接口模块的TRST引脚连接4.7kΩ下拉电阻；EMUO、EMU1、TCK引脚和TCKRET引脚均连接4.7kT上拉电阻，并连接3.3V电平。

进一步，所述系统分为控制板与核心板，DSP芯片、通讯模块、接口模块位于核心板，电源模块、电平转换模块、高精度AD采集模块、DA转换模块位于控制板，控制板与核心板通过连接座连接。所述控制板端面在四个角分别设置有一个直径2.5mm的通孔；所述控制板在侧面设置传感器输入接口，用于连接磁传感器；所述控制板在侧面设置传感器输入信号接口，用于连接功率放大模块。

具体的，作为所述DSP芯片的的TMS320F28335正常工作需系统提供1.9V和3.3V两种规格的电源，且1.9V要先于3.3V完成上电；

优选的，TPS767D301的工作温度范围-40℃～125℃，主要用于DSP芯片应用,输出电流范围为0毫安至1.0安。

优选的，TMS320F28335的工作频率范围为2MHz～150MHz，支持外部时钟输入，并且提供锁相环对器件运行时钟进行了调节。该器件的时钟连接方式有3种，选用如图2所示的连接方式。DSP芯片的第一接口104输入为低电平信号，接DGND。DSP芯片的第二接口105输入为时钟输入信号，接XCLKIN，第三接口102引脚悬空。优选的，外部时钟精度较内部时钟更高，为保证系统计时的精确性，采用外部有源晶振作为系统时钟输入。如图3所示，晶振供电电压为3.3V。

优选的，为保证数据处理的速率要求，晶振频率选择为30MHz的有源晶振。

优选的，由于DSP芯片信号电平为3.3V，而继电器控制信号电平为5V，因此两者之间需要通过电平转换芯片进行转换，故采用在型号中成熟应用的总线驱动器TPS767D301，其工作原理框图如图4所示。

优选的，串口通信的接口标准有很多，有RS-232C、RS-232、RS-422A、RS-485等。RS-232C定义了数据终端设备(DTE)与数据通信设备(DCE)之间的物理接口标准。RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与晶体管-晶体管逻辑集成电路(TTL)以高低电平表示逻辑状态的规定正好相反。所以要实现DSP芯片与计算机的串口通信，需要进行TTL与RS-232电平转换，使用的电平转换芯片是MAX232。

优选的，高精度AD采集模块采用SPI通信，SPI接口主要应用在EEPROM、FLASH、实时时钟、AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间。

优选的，DA转换模块采用SPI通信，将McBSP接口配置为SPI通信方式。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。