基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

　　本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方案電路簡單、可靠性好、具有一定的通用性、可以進(jìn)行多通道擴(kuò)展。系統(tǒng)主要包括高速A/D、高速緩存、DSP處理器、通訊接口四個(gè)部分,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1  同步與過程控制

　　在通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,測量過程是通過對A/D變換器的控制來實(shí)現(xiàn)的。但對于一個(gè)高速采集系統(tǒng)而言,這種方法有局限性。因?yàn)楦咚貯/D建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)需要相當(dāng)長時(shí)間,頻繁的改變A/D的工作狀態(tài)會(huì)影響測量的精度,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成信號的失真。

　　在本設(shè)計(jì)方案中,同步命令并不直接作用于高速A/D。自通電時(shí)起,A/D和時(shí)鐘電路始終處于工作狀態(tài),同步命令通過對高速FIFO的寫入端的控制,即允許或禁止對FIFO寫入,實(shí)現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的取舍。與A/D相比,高速FIFO的寫有效時(shí)間為3ns,對同步和過程控制更為有利。

　　一次完整的測量過程是從DSP發(fā)出同步命令開始的。同步命令一方面觸發(fā)發(fā)射機(jī)工作,另一方面允許對FIFO寫入,對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)到達(dá)預(yù)定的數(shù)量時(shí),FIFO的特定狀態(tài)位置位,引發(fā)DSP外部中斷。在中斷服務(wù)程序中,DSP禁止對FIFO寫入、中斷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),同時(shí)復(fù)位該狀態(tài)位。然后讀取數(shù)據(jù),待完成數(shù)據(jù)處理過程之后,DSP對FIFO復(fù)位清零。此即完成一次測量。

2 高速A/D轉(zhuǎn)換器

　　高速A/D轉(zhuǎn)換器選用AD9432,采樣位數(shù)12位,最高采樣速率105MHz,模擬帶寬500MHz,差分信號輸入,差分外部時(shí)鐘,片內(nèi)帶有輸入緩存和采樣/保持器,12位并行數(shù)據(jù)輸出,52引腳LQFP封裝。

　　由于AD9432要求差分輸入形式,因此對于單端輸入信號必須經(jīng)過圖2所示的信號調(diào)理電路變換為差分形式。圖中,AD8138為差分輸出的高精度運(yùn)算放大器。

時(shí)鐘對于一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言是十分重要的。在最高采樣頻率下,為了保證測量的精度,AD9432要求時(shí)鐘波形的上升沿和下降沿小于2ns,這樣的標(biāo)準(zhǔn)在TTL邏輯下難以實(shí)現(xiàn),但利用ECL器件可以有效地解決此問題,圖3為差分時(shí)鐘電路。

需要說明的是:ECL器件的驅(qū)動(dòng)能力有限,一路差分時(shí)鐘輸出一般只供一個(gè)器件使用。

3 高速緩存FIFO

　　高速緩存是系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),根據(jù)系統(tǒng)的需求我們選用CY7C4245。

　　CY7C4245是高速、低功耗4K×18 FIFO存儲(chǔ)器,讀寫周期為10ns,具有獨(dú)立的18位輸入、輸出接口和讀、寫時(shí)鐘信號,可以實(shí)現(xiàn)同步讀寫操作。CY7C4245提供五種狀態(tài)指示:Empty、Almost Empty、Half Full、Almost Full、Full,分別代表當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的深度。其中Almost Empty 和Almost Full 為可編程空滿狀態(tài)位,可根據(jù)系統(tǒng)的需求對存儲(chǔ)進(jìn)行設(shè)定。FIFO的狀態(tài)信息代表了已采樣的點(diǎn)數(shù),當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到預(yù)期的數(shù)量時(shí),相應(yīng)的狀態(tài)位置位,觸發(fā)DSP的外部中斷,中止測量過程,由 DSP讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 DSP處理器

4.1 TMS320F206的特點(diǎn)

　　DSP是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心,本文中選用 TMS320F206。該產(chǎn)品屬于TI公司采用CMOS集成電路技術(shù)生產(chǎn)的TMS320C2XX系列,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其匯編指令集與TMS320C5X相兼容,其主要特點(diǎn)如下:

　　(1)運(yùn)算速度可以達(dá)到40MIPS;

　　(2)4.5K片內(nèi)RAM和32K片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器;

　　(3)32位算術(shù)邏輯單元和32位累加器;

　　(4)16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線;

　　(5)具有一個(gè)異步串行通訊接口和一個(gè)同步串行通訊接口,異步串行口具有波特率自動(dòng)檢測功能;

　　(6)價(jià)格低廉。

4.2 數(shù)字信號處理

　　數(shù)字信號處理是DSP應(yīng)用的主要方面。DSP所提供的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力和運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單片機(jī),具有更為豐富的指令集和更大的內(nèi)存空間,可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。

　　DSP首先要完成數(shù)制轉(zhuǎn)換,AD9432的量程為-500mV～+500mV。對于負(fù)電平,采樣數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式輸出,需將12位補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制整數(shù);更為重要的是DSP要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的數(shù)字信號處理算法,如快速維納濾波、FFT等。

5 數(shù)據(jù)通訊

5.1  異步串行通訊

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與主控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用異步串行通訊方式。TMS320F206帶有一個(gè)異步串行通訊端口,在40MHz外頻條件下,最高傳輸速率達(dá)到2.5Mbit/s。發(fā)送和接收使用獨(dú)立的緩沖區(qū),可以實(shí)現(xiàn)全雙工工作方式,異步串行口的工作框圖如圖4所示。

其中,AXSR為異步串行發(fā)送移位寄存器;ARSR為異步串行接收移位寄存器;ADTR為異步數(shù)據(jù)發(fā)送接收寄存器,TXRXINT為發(fā)送接收中斷(硬件中斷)。

　　此外,TMS320F206有一個(gè)同步串行口,用于多機(jī)并行工作方式下DSP之間的數(shù)據(jù)交換。在40MHz外頻時(shí),其最高傳輸速率為20Mbit/s。

5.2 波特率設(shè)置

　　TMS320F206有一個(gè)16位寄存器BRD用于設(shè)定異步串行通訊所使用的波特率,其數(shù)值計(jì)算公式如下:

表1列出了不同外部時(shí)鐘頻率下常用波特率對應(yīng)的BRD數(shù)值。

5.3 串行通信軟件設(shè)計(jì)

　　為了提高效率,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均采用中斷方式,串行通訊波特率為57600,匯編程序代碼如下:

　　串行口初始化:

setc INTM                          ;禁止所有中斷

splk #0ffffh， ifr                 ;清中斷

splk #0000h， 60h      

out 60h， wsgr                     ;清等待狀態(tài)

splk #0c180h， 61h

out 61h， aspcr                    ;復(fù)位異步串口,設(shè)發(fā)送、接收

                                         中斷,一個(gè)停止位

splk #0e180h， 61h

out 61h， aspcr                    ;配置異步串口

splk #4fffh，62h

out 62h，iosr                      ;復(fù)位異步串口各狀態(tài)標(biāo)志

splk #002Bh， 63h

out 63h， brd                      ;設(shè)波特率為57600

splk #020h， imr                   ;允許異步串行中斷

mar *， ar1

lar ar1， #rxbuf                   ;設(shè)緩沖區(qū)指針

mar *，ar0

lar ar0， #size                    ;設(shè)緩沖區(qū)大小

發(fā)送中斷服務(wù)程序:

       ..........

splk #0ffffh， ifr                 ;關(guān)中斷

out *+， adtr                      ;發(fā)送數(shù)據(jù)

mar *，ar0                         ;發(fā)送計(jì)數(shù)

banz skip， ar1                    ;若仍有數(shù)據(jù),發(fā)送

                                       緩沖區(qū)指針加1

skip：     splk #0020h， ifr       ;允許中斷

clrc INTM                          ;清中斷

ret  

接收中斷服務(wù)子程序:

       ............

splk #0ffffh， ifr                 ;關(guān)中斷

in 68h，iosr                        

bit 68h，7                                 

bcnd skip，ntc                     ;檢測接收標(biāo)志位

in *， adtr                        ;讀數(shù)據(jù)

mar *，ar0

banz skip， ar1                    ;接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)     

............

skip：     splk #0020h，ifr        ;開中斷

clrc INTM

ret

　　其中ifr為中斷標(biāo)志寄存器;aspcr為異步串行口控制寄存器;imr為中斷屏蔽寄存器;iosr為I/O狀態(tài)寄存器;wsgr為等待狀態(tài)寄存器。

6 RS232接口電路

　　該系統(tǒng)中DSP與主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊采用RS232標(biāo)準(zhǔn),驅(qū)動(dòng)電路選用MAX232A芯片。MAX232A功耗低、集成度高、片內(nèi)集成電荷泵,只需外接+5V電源,具有兩個(gè)發(fā)送接收通道,接口電路簡單、可靠性好。RS232驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

7 系統(tǒng)的擴(kuò)展

　　本設(shè)計(jì)方案電路簡單、易于實(shí)現(xiàn)、具有一定的通用性,在此基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展為同步采樣的多通道采集系統(tǒng),如圖6所示。圖中,主從DSP之間的數(shù)據(jù)通訊采用同步串行方式。

需要注意的是:對于多通道同步采樣系統(tǒng),應(yīng)盡可能地保證各通道參數(shù)的一致性。

　　根據(jù)本文內(nèi)容設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的雙通道同步數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于分布式光纖測量系統(tǒng),取得了很好的效果,實(shí)踐證明本文的設(shè)計(jì)是可行有效的。