引言
---- 數(shù)據(jù)采集技術(shù)是以前端的模擬信號(hào)處理、數(shù)字化、數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)等高科技為基礎(chǔ)而形成的一門綜合技術(shù)，是聯(lián)系模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。它在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字技術(shù)促進(jìn)了上述這些領(lǐng)域的發(fā)展，而反過來又對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了愈來愈高的要求，本文所設(shè)計(jì)的16位16通道零相位差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅具有較高的轉(zhuǎn)化精度，而且提供多通道零相位差特性。正是由于各通道之間的信號(hào)在數(shù)字化之后，不存在相位差，這對(duì)那些諸如聲納陣列、多點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)、電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行相位相關(guān)特性分析的事件而言，使用這種采集系統(tǒng)就特別有意義。USB接口的普遍性使本系統(tǒng)很容易與PC機(jī)接口。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
---- 16位16通道零相位差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其核心部分是A/D轉(zhuǎn)換器和DSP，此外還有一些外圍電路。
圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 |
1.1 A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)
---- 為使轉(zhuǎn)換能達(dá)到一定速率，選擇16位并行接口A/D轉(zhuǎn)換器。這種芯片好幾家公司都有，表1列出了一些芯片的主要特性。
---- A/DX（以上五種芯片的統(tǒng)稱，下同）的詳細(xì)特性請(qǐng)查閱各公司的產(chǎn)品資料。A/DX有兩種工作模式：第一種如圖2所示，R/C控制轉(zhuǎn)換，CS接地。這種模式，每片A/DX都需要一片7416374來暫存轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)據(jù)。第二種工作模式如圖3，由CS來控制轉(zhuǎn)換和讀時(shí)序，這樣可以省去7416374，使電路簡化，但它的時(shí)序比較嚴(yán)格。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，R/C和CS要同時(shí)為低，且R/C要比CS提前10ns為低；讀數(shù)據(jù)時(shí)，R/C為高，CS為低。幸好TI公司的DSP可以滿足該時(shí)序要求。
圖2：由R/C控制的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖（CS接地） |
圖3：由CS控制的轉(zhuǎn)換和讀時(shí)序圖 |
1.2 數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)
---- 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）是針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種單片機(jī)，但現(xiàn)在它也廣泛的應(yīng)用于各控制領(lǐng)域。為了使本系統(tǒng)達(dá)到一定的采樣率，并有一定的通道擴(kuò)展率（可擴(kuò)展到96通道），本系統(tǒng)采用了TI公司的16位定點(diǎn)的DSPTMS320C50。
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 圖4：DSP讀寫信號(hào)時(shí)序圖
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---- 由圖4可以看到IS、STRB和RD控制信號(hào)正好滿足A/DX的時(shí)序要求。
1.3 USB接口電路的設(shè)計(jì)
---- USB接口可以有很多方法完成，如可以用專用USB接口芯片，也可以用帶有USB接口的單片機(jī)或直接用FPGA來完成USB接口。本系統(tǒng)使用INTEL的帶有USB接口的單片機(jī)8X930AX，它與普通的MCS51系列的單片機(jī)相比，只增加了USB接口，所以可以參考普通的MCS51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)。在8X930AX與DSP之間可以用一FIFO來緩存數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)工作原理
---- 如圖1所示，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以PC為主機(jī)，DSP為輔助處理器，它們之間通過USB接口通信。16路輸入信號(hào)各自都由采樣保持器和ADC，它們都由同一個(gè)采樣定時(shí)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道都選用同樣的器件與電路，這樣就保證了對(duì)16路模擬輸入信號(hào)采樣的同時(shí)性，以達(dá)到零相位差的目的。
---- 由PC機(jī)下指令給DSP需要多少采樣，然后DSP就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，接著DSP查詢A/DX的轉(zhuǎn)換結(jié)束就讀數(shù)據(jù)，最終把數(shù)據(jù)送到FIFO，并通知8X930AX可以把數(shù)據(jù)送到PC機(jī)了。
---- 在該系統(tǒng)中，DSP負(fù)責(zé)完成全部16通道的采樣時(shí)鐘產(chǎn)生、時(shí)序控制、數(shù)據(jù)讀入等工作。利用DSP技術(shù)來設(shè)計(jì)這樣一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其靈活的硬件結(jié)構(gòu)及開放型的軟件設(shè)計(jì)不但能滿足該系統(tǒng)的要求，而且具有非常廣闊的功能拓展?jié)摿?。工作過程簡述如下。
2.1 采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生
---- 采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)：利用DSP的定時(shí)器功能可以非常方便的產(chǎn)生ADC采樣時(shí)鐘；因?yàn)镈SP一般都為單周期指令，因而也可以直接用機(jī)器指令數(shù)定時(shí)。這樣做既簡化了電路，減少了噪聲源，也為A/DX與DSP的同步提供了方便。
2.2 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀入
---- 本系統(tǒng)采用A/DX的第二種工作模式，DSP的IS、STRB和地址信號(hào)通過譯碼來控制R/C，IS、STRB、RD和地址信號(hào)通過譯碼來控制CS。通過讀I/O0來啟動(dòng)A/DX，轉(zhuǎn)換結(jié)束后通過讀I/O1、I/O2、、、I/O16把數(shù)據(jù)讀進(jìn)來，再把數(shù)據(jù)送到FIFO，讓8X930AX送給PC機(jī)。
3 結(jié)論
---- 目前，該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)（25KSPS），并還留有一定的余量，如提高采樣率，增加通道數(shù)等。本系統(tǒng)采用了當(dāng)今流行的USB總線接口，可以很方便的與便攜式計(jì)算機(jī)接口，而不需要其它的控制卡，如ISA總線卡、PCI總線卡等。由于USB總線現(xiàn)在最快也只能達(dá)到12Mb/s，如果通道數(shù)多，或采樣率高，可以采用USB 2.0（可以480Mb/s的速度傳輸）或IEEE 1394總線，它們可以達(dá)到更高的傳輸速率。
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