基于DSP的高功率TEACO2激光器控制系統(tǒng)的高精度數(shù)據(jù)采集

王鶴淇，孟范江，郭立紅，管目強

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039）

基于DSP的高功率TEACO2激光器控制系統(tǒng)的高精度數(shù)據(jù)采集

王鶴淇1，2，孟范江1，郭立紅1，管目強1，2

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033；

2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039）

針對基于DSP的高功率TEA CO2激光器控制系統(tǒng)直接利用DSPF2812內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行模擬量采樣時存在轉(zhuǎn)換誤差較大，且模擬量易受電磁干擾等問題，從硬件和軟件兩個角度提出了校正DSP2812內(nèi)置ADC的方法。硬件上采用硬件模擬濾波和隔離等手段對輸入的模擬量進(jìn)行處理；軟件校正則通過將兩路給定的參考電壓值送入DSP F2812內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的兩個轉(zhuǎn)換通道，計算出ADC的偏置誤差和增益誤差，以此誤差對其它通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校正。最后，實驗分析了參考電壓和A/D采樣時鐘頻率對A/D轉(zhuǎn)換精度的影響。結(jié)果表明，提出的方法能有效地提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度，A/D轉(zhuǎn)換誤差達(dá)到±3 LSB，特別是在對腔壓值精度要求很高的0～12 000 Pa區(qū)段，A/D轉(zhuǎn)換精度達(dá)± 1 LSB，可以保證TEA CO2激光器的可靠運行。

高功率TEA CO2激光器；數(shù)據(jù)采集；DSP F2812；A/D轉(zhuǎn)換；誤差校正

1 引 言

TMS320F2812是美國TI公司推出的一款32位高集成度、高性能數(shù)字信號處理器（DSP）［1］。該處理器采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有主頻高達(dá)150 Mh x的高性能CPU以及豐富的外設(shè)接口，在電機(jī)控制、工業(yè)自動化控制、電力轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。TMS320F2812內(nèi)部集成了12位帶流水線的A/D轉(zhuǎn)換（ADC）模塊，帶有2個采樣和保持器（S/h），支持同步和順序采樣，具有16個轉(zhuǎn)換通道和快速的轉(zhuǎn)換時間（ADC時鐘最高可配置為25 Mh x，最高采樣頻率為12.5 Mh x）。

高功率TEA CO2激光器是一種高電壓脈沖激勵類型的氣體激光器，是一個集光、機(jī)、電于一體的大型設(shè)備，包括大功率高壓電源、脈沖大電流放電系統(tǒng)、高速風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、高真空密封腔體［2］。儀器工作時必須保持工作氣體成分、氣壓、電壓以及溫度的動態(tài)穩(wěn)定，因此，其控制系統(tǒng)在運行中要對系統(tǒng)中的電壓、電流、氣壓、溫度、氣比等多種模擬參量進(jìn)行實時監(jiān)測和反饋調(diào)整［3］；同時，由于其工作時進(jìn)行高電壓、大電流脈沖放電會產(chǎn)生強烈的電磁干擾［4～6］，這些強電磁干擾會影響模擬量采集，從而影響激光器的正常工作。用DSPF2812作為激光器控制系統(tǒng)的核心時，如果直接利用其內(nèi)置的ADC對模擬量進(jìn)行采樣，在不考慮電磁干擾的情況下，則僅ADC本身的轉(zhuǎn)換誤差就較大，若直接使用采樣的結(jié)果數(shù)據(jù)，會造成激光器系統(tǒng)不能正常工作。為了獲得高精度的模擬量數(shù)據(jù)，本文從硬件和軟件角度提出了 DSP2812內(nèi)置ADC的校正方法。對受到電磁干擾的模擬信號采取抗干擾措施，包括硬件上采用模擬濾波和隔離模塊濾除干擾信號；軟件上利用校正方法和中位值平均濾波方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲得了較高的數(shù)據(jù)采集精度。

2 提高A/D轉(zhuǎn)換精度的硬件措施

圖1 A/D轉(zhuǎn)換輸入的隔離模塊

提供穩(wěn)定的模擬量信號是準(zhǔn)確進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的前提。激光器進(jìn)行脈沖放電時產(chǎn)生的強烈電磁干擾會對送入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量疊加一些高頻干擾信號，因而采用低通濾波和隔離是有效的方法之一［6］。本激光器控制系統(tǒng)的設(shè)計是使用電壓分壓器，把高壓電源電壓0～40 kV的高電壓減少至0～40 V，然后進(jìn)行硬件RC低通濾波，再運用隔離接口模塊把0～40 V的電壓變成0～3 V，其電路如圖1所示。同時使用電流互感器把高壓電源電流0～400 A的大電流轉(zhuǎn)變?yōu)?～5 A，然后進(jìn)行硬件RC低通濾波，接著用模擬隔離接口把0～5 A轉(zhuǎn)換為0～3 V。對于氣壓和溫度的測量也與高壓電源和電流類似，將經(jīng)壓力傳感器和溫度傳感器變換的模擬量依次通過RC低通濾波和模擬隔離接口變換為0～3 V。以對數(shù)據(jù)采集精度要求最高的腔壓為例，腔壓變送器的線性度為0.038％，隔離接口的線性度為0.01％，這兩個器件的總線性度僅為0.048％，保證了A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號的準(zhǔn)確性。

另外，在設(shè)計電路板（PCB）時應(yīng)注意不要使A/D的輸入引腳ADCIN運行在靠近數(shù)字信號通路處，這將大大降低耦合到ADCIN引腳的數(shù)字信號開關(guān)噪聲［7］，同時隔離A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬電源和數(shù)字電源，以確保不用的AD輸入引腳接地。通常將ADCLO引腳直接連接到模擬地，確保為其提供一條低阻抗路徑，同時要確保數(shù)字地和模擬地在一點連接。

3 A/D轉(zhuǎn)換的軟件校正

3.1 A/D轉(zhuǎn)換的誤差分析

雖然模擬信號經(jīng)過上述的硬件措施已經(jīng)比較穩(wěn)定，但是直接使用A/D轉(zhuǎn)換器采集的數(shù)字量和理想值相比還是會存在較大的誤差［8］。因此，必須對A/D采樣的結(jié)果進(jìn)行軟件校正。要想提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，必須要了解A/D轉(zhuǎn)換的誤差來源。A/D誤差的類型包括：量化誤差，偏移和增益誤差，非線性，以及由噪聲和漂移導(dǎo)致的測量誤差［9］。偏移誤差是指對A/D轉(zhuǎn)換器采用零伏差動輸入時實際輸出代碼與理想代碼間的差異；增益誤差是指從負(fù)滿量程轉(zhuǎn)為正滿量程輸入時實際斜率與理想斜率的差值，這兩種誤差是A/D轉(zhuǎn)換器的主要誤差源，這里提出的校正方法也主要針對這兩種誤差。噪聲存在于任何電子設(shè)備中，由于采樣得到的數(shù)據(jù)具有白噪聲的特性，可以通過基于數(shù)理統(tǒng)計的方法來減小噪聲的影響。

首先討論偏移誤差和增益誤差的影響。在理想情況下，12位的DSP2812內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方程為：

其中，x表示輸入的模擬電壓值對應(yīng)的數(shù)字量，y表示A/D轉(zhuǎn)換得到的輸出值，mi表示理想增益，其值為1。對于帶有增益誤差和偏移誤差的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換方程變?yōu)椋?/p>

其中，ma表示實際增益，b表示實際的偏移，即輸入電壓為0時的輸出值。理想的A/D轉(zhuǎn)換曲線和實際的A/D轉(zhuǎn)換曲線如圖2所示［10］。

根據(jù)Ti公司的手冊，理想增益 ma的值在0.95～1.05之間，偏移誤差b的值在-80～80之間。如果不能達(dá)到上述指標(biāo)，則應(yīng)該從硬件設(shè)計以及A/D轉(zhuǎn)換軟件方面查找問題。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換中的理想增益和實際增益

3.2 校正方法原理

實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換校正的方法是首先將兩路給定的參考電壓值送入到A/D轉(zhuǎn)換器的兩個轉(zhuǎn)換通道，接著計算校正增益和偏移來補償其它通道的輸入值。使用這種方法可行是由于A/D轉(zhuǎn)換器通道間的誤差很小，一般增益誤差和偏置誤差在±0.2％左右。

設(shè)給定的兩路參考電壓的理想代碼分別是x1和x2，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的輸出代碼分別為y1和y2。根據(jù)方程（2），以及在此直線上的兩個點（x1，y1）（x2，y2），可求出實際增益：

實際偏移

對于其它任一通道的A/D轉(zhuǎn)換后的輸出代碼y，可利用上面已經(jīng)求得的ma和b得出輸入的代碼

其中：

3.3 程序?qū)崿F(xiàn)

與一般的A/D轉(zhuǎn)換程序相比，本文采用的校正方法需要多增加兩個程序模塊：一是計算增益誤差和偏移誤差的模塊CalcError，二是利用增益誤差和偏移誤差來校正輸入值的模塊 GetAD Data。兩個模塊的流程圖分別如圖3和圖4所示。采用順序模式依次對各個輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，用事件管理器（如EVA）定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)一個序列的轉(zhuǎn)換完成時則觸發(fā)中斷。在中斷處理例程中，先調(diào)用CalcError計算校正增益InvGain和校正偏移InvOffset，為了節(jié)省A/D采樣的時間，只需在DSP上電復(fù)位后調(diào)用CalcError 1次即可。然后調(diào)用GetADData來讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

圖3 偏置誤差和增益誤差計算模塊

圖4 A/D采樣數(shù)據(jù)校正模塊

4 實驗結(jié)果與分析

當(dāng)激光器系統(tǒng)工作時，利用TDS2012示波器測試了一路受到大功率開關(guān)電源干擾的模擬信號波形，如圖5（a）所示。在加入了隔離和濾波措施之后對該路模擬信號進(jìn)行測試，如圖5（b）所示。由圖5可以看出，經(jīng)過隔離和濾波措施后疊加在模擬信號上的干擾基本被抑制，輸入的模擬信號穩(wěn)定。

圖5 模擬信號波形

實驗時采用朝陽電源的4inc-x一體化線性電源，電壓精度≤1％或100 mV，并通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來輸出0～3 V之間的電壓送入F2812內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)A/D的時鐘頻率為0.667 Mh x時，分別以0.5和2 V以及1和2 V作為兩路輸入的參考電壓采集了兩組數(shù)據(jù)。如表1和表2所示。其中，表中所列的采樣值均是經(jīng)過中值平均濾波后得到的數(shù)據(jù)。從表1和表2可以看出，未經(jīng)校正的A/D轉(zhuǎn)換值存在較大的誤差，經(jīng)校正后的A/D轉(zhuǎn)換值與理想值很接近。將參考電壓為0.5和2.0 V與參考電壓為1和2.0 V時的校正前相對誤差及校正后相對誤差繪制成如圖6所示的曲線可以看出，使用這兩種參考電壓校正后的誤差值都遠(yuǎn)小于校正前誤差值。但是對于0.5 V以下的電壓，以0.5和2 V作為參考電壓得到的校正后相對誤差更小，可達(dá)到1 LSB。因此這里選擇0.5和2 V作為參考電壓。

表1 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（參考電壓1和2 V）Tab.1 Results of A/D conversion（reference voltage 1 V and 2 V） （V）

表2 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（參考電壓0.5和2 V）Tab.2 Results of A/D conversion（reference voltage 0.5 V and 2 V） （V）

腔壓值是在TEA CO2激光器工作時非常重要的一項參數(shù)值，為0～100 000 Pa（1個數(shù)字量約為25 Pa）。使用激光器時首先要對激光器腔抽真空，然后充入CO2，N2，h e 3種氣體。3種氣體的配氣比例為CO2∶N2∶h e=3 000∶9 000∶ 28 000，要求精度最高的氣壓是0～12 000 Pa，該范圍的配氣情況見表3。不同的配氣比例對于激光器的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率將產(chǎn)生較大影響［3］。

表3 校正前后CO2和N2的實際氣壓值Tab.3 Actual pressures of CO2 and N2 before and after corrections （Pa）

表4 不同采樣時鐘ADCCLK和采樣時間選擇ACQPS下的增益誤差m a和偏移誤差bTab.4 Gain errors m a and offset errors b at different ADCCLKs and ACQPSs

當(dāng)CO2∶N2=1∶3時，激光器的輸出能量和電光效率轉(zhuǎn)換最高。從表4可以看出，未校正時實際的CO2∶N2=1∶6，這將導(dǎo)致激光器的輸出能量和電光效率轉(zhuǎn)換顯著降低。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換誤差

下面討論DSP2812的ADC時鐘ADCCLK和采樣保持（S/h）采集時間窗口對A/D轉(zhuǎn)換精度的影響。以0.5和2 V作為參考電壓，采用順序采樣模式進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。通過設(shè)置不同的ADCCLK和S/h采集時間窗口，得到相應(yīng)的增益誤差ma和偏移誤差b，其數(shù)據(jù)如表4所示。根據(jù)Ti公司手冊，0.95＜ma＜1.05，-80＜b＜80，從表3中可以看出，當(dāng)采樣時鐘頻率高于5Mh x時，增益誤差ma或偏移誤差b都存在超出正常范圍的情況，以此ma和b來對A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正會存在較大誤差。當(dāng)采樣頻率不高于5 Mh x時，增益誤差ma和偏移誤差b都在正常范圍內(nèi)，而且隨著采樣頻率的降低，增益誤差ma越來越接近理想值1，偏移誤差則保持穩(wěn)定。因此應(yīng)該在保證要求的采樣速率的條件下盡可能使用較低的采樣時鐘頻率。不同的采樣保持（S/h）采集時間窗口對轉(zhuǎn)換結(jié)果影響不大。

5 結(jié) 論

提高A/D轉(zhuǎn)換的精度對于高功率TEA CO2激光器的可靠運行具有非常重要的作用。由于模擬信號極易受到電磁干擾，利用硬件上的隔離、濾波方法去除了附加在模擬信號中的高頻干擾部分。通過軟件對增益誤差和偏移誤差進(jìn)行校正，大幅提高了轉(zhuǎn)換精度。實驗結(jié)果表明：在A/D采樣時鐘頻率為0.667 Mh x，校正參考電壓為0.5和2.0 V時，A/D轉(zhuǎn)換誤差達(dá)到±3 LSB之內(nèi)，特別是在對腔壓值精度要求很高的0～12 000 Pa（數(shù)字量0～480），A/D轉(zhuǎn)換的精度達(dá)到±1 LSB內(nèi)，滿足了高功率TEACO2激光器對A/D轉(zhuǎn)換的精度要求。經(jīng)過實際運行考核，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

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High precision data acquisition of control system for high-power TEA CO2laser based on DSP

WANG h e-qi1，2，MENG Fan-jiang1，GUO Li-hong1，GUAN Mu-qiang1，2
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2.Graduate UniVersity of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

It shows larger conversion errors and stronger electromagnetic interference when the AD converter（ADC）built in DSPF2812 of the control system for a high-power TEA CO2laser based on the DSP is used to acquire analog signals.To overcome the backcomings，a method to correct the ADC built in the DSPF2812 was proposed based on both the hardware and software.In hardware processing，the analog filtering and isolation modulewere adopted to process the input analog signals and themedian average filteringmethod was used to eliminate the occasional glitch.With software correction，two given reference voltageswere sent to the two channels of the A/D converter of the DSPF2812 to calculate the offset error and gain error，then itwas used tocorrect other channels of the A/D converter.Furthermore，the impactof the reference voltage and A/D sample clock on the A/D conversion precision was analyxed by experiments.The experimental results show that the method can improve the precision of the A/D converter effectively.The A/D conversion error has been within 3 LSB，which can ensure the stability and reliability of data acquisition for the control system in high-power TEA CO2lasers.

high-power TEA CO2laser；data acquisition；DSP F2812；A/D conversion；error correction

TN248.2；TP274

A

1674-2915（2011）04-0411-07

2011-05-21；

2011-07-23

激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室研究基金資助項目（No.SKLLIM0902-01）

王鶴淇（1983—），男，吉林長春人，博士研究生，主要從事激光器電子學(xué)設(shè)計及電子系統(tǒng)可測試性設(shè)計方面的研究。E-mail：whq200808@gmail.com

孟范江（1957—），男，黑龍江牡丹江人，副研究員，主要從事大功率激光器控制系統(tǒng)及高壓電源方面的研究。

E-mail：mengfj2006@sohu.com

郭立紅（1964—），女，吉林舒蘭人，研究員，主要從事光電儀器總體設(shè)計方面的研究。

E-mail：Guolh@ciomp.ac.cn

管目強（1985—），男，山東濰坊人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)仿真應(yīng)用、視頻數(shù)據(jù)傳輸方面的研究。

E-mail：guanmuqiang@sina.com