基于DSP和MAX1420的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通信與信息技術(shù)領(lǐng)域中重要的功能模塊，應(yīng)用廣泛。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多以單片機(jī)或中規(guī)模數(shù)字電路為核心，其模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D轉(zhuǎn)換器)采樣速率較低。顯然傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能完全滿足高速、高精度及具有數(shù)字信號處理功能要求，因此，這里提出一種基于DSPTMS320C6713和A/D轉(zhuǎn)換器和MAX1420的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP控制MAX1420實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，完成必要的數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)存儲功能。其中，數(shù)據(jù)通信是將系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口傳給上位機(jī)；而數(shù)據(jù)存儲是系統(tǒng)存儲必要數(shù)據(jù)，防止由于系統(tǒng)掉電而丟失數(shù)據(jù)。另外，DSP除完成系統(tǒng)控制外，還可通過編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理。從而實(shí)現(xiàn)多種信號采集的開放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用TI公司的TMS320C6713型DSP作為核心控制器，內(nèi)核采用超長指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)，8個(gè)功能單元共用32個(gè)32位通用寄存器．最多可在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，提高程序執(zhí)行速度；具有32位外部存儲器接口(EMIF)，尋址空間可達(dá)52 MB；可與SDRAM、SBRAM實(shí)現(xiàn)無縫連接，用于大容量高速存儲：直接異步存儲接口可與SRAM、EPROM連接，用于小容量數(shù)據(jù)存儲和程序存儲：具有16個(gè)獨(dú)立的EDMA傳輸通道。在CPU不干預(yù)的情況下，支持多路數(shù)據(jù)的獨(dú)立快速傳輸；具有兩個(gè)支持全雙工通信的多通道緩沖串口McBSP。

　　另外，TMS320C6713便于擴(kuò)展存儲器和I／O接口。其總線在片內(nèi)不易受干擾，且應(yīng)用體積小，容易采取屏蔽措施，故可工作在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境下，可靠性高。TMS320C6713采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，可以完成并行指令操作。片上還集成有40位算術(shù)邏輯單元ALU，2個(gè)17位×17位硬件乘法器等功能部件。

　　以TMS320C6713為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為32位，連接A/D轉(zhuǎn)換器、DSP、通信接口以及數(shù)據(jù)Flash的數(shù)據(jù)線。DSP的地址總線經(jīng)CPLD澤碼，實(shí)現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換器、通信接口、數(shù)據(jù)Flash等器件的片選信號。DSP控制外圍器件時(shí)，需復(fù)用控制總線，因此也需對CPLD進(jìn)行譯碼。

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　　2．2 A/D轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換器模塊選用MAX1420。MAX1420是ADI公司推出的12位A／D轉(zhuǎn)換器，其最高轉(zhuǎn)換速率是60 Ms/s，電源電壓是3．3 V，允許輸入信號范圍是-1．024～+1．024 V，最大功耗218 mW。系統(tǒng)由DSP向MAX1420發(fā)送指令，控制A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序。MAX1420的數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)總線相連。MAX1420的地址線與控制線由DSP發(fā)出指令并經(jīng)CPLD譯碼，實(shí)現(xiàn)該器件的片選(CS)控制；MAX1420工作時(shí)CS保持低電平。MAX1420的工作狀態(tài)BUSY傳送給DSP的INT端，請求DSP中斷，DSP按照時(shí)序要求控制MAX1420，完成A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換器硬件電路如圖2所示。

　　另外，系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)時(shí)分采集多路數(shù)據(jù)，為簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需在MAX1420前端加載多路模擬開關(guān)。使用AD7503就可實(shí)現(xiàn)8路模擬開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。

　　2．3 通信接口模塊設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的通信接口有標(biāo)準(zhǔn)RS232和USB2．0兩種接口。由于TMS320C6713片上有標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口，若與外部同步串行通信，只需采用MAX3232完成TTL電平與EIA電平的轉(zhuǎn)換。若采用異步串行接口．則可采用TL16C550實(shí)現(xiàn)該功能。這里采用FT245BM器件完成USB2．0接口，該器件主要功能是進(jìn)行USB與并行I／O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。一方面可從主機(jī)通過USB接口接收數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面外設(shè)可通過并行I/O接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳輸至主機(jī)。中間的并行I／O接口與USB的協(xié)議轉(zhuǎn)換全部南該器件自動完成。與PC機(jī)通信時(shí)上位機(jī)軟件只需采用VB或VC結(jié)合控制時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)。

　　FT245BM內(nèi)部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進(jìn)先出(FIFO)控制器等構(gòu)成。USB收發(fā)器提供USB2．0的全速物理接口到USB總線，支持UHCI／OHCI主控制器；串行接口引擎實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的串／并雙向轉(zhuǎn)換，并遵循USB規(guī)范完成USB數(shù)據(jù)流的位填充／位反填充，以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC5／CRC16)的產(chǎn)生和檢錯(cuò)；USB協(xié)議引擎管理來自USB設(shè)備控制端口的數(shù)據(jù)流；FIFO控制器處理外部接口和收發(fā)緩沖區(qū)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

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　　FIFO控制器實(shí)現(xiàn)與DSP主機(jī)的接口，主要通過8根數(shù)據(jù)線D0～D7及讀寫控制線實(shí)現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)交互。FT245BM內(nèi)含2個(gè)FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：128 B接收緩沖區(qū)和384 B發(fā)送緩沖區(qū)，用于緩存USB數(shù)據(jù)與并行I／O口數(shù)據(jù)交換。另外，F(xiàn)T245BM還內(nèi)置3．3 V穩(wěn)壓器，6 MHz振蕩器、8倍頻的時(shí)鐘倍頻器、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。FT245BM的8位數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)總線的低8位相連，其時(shí)序由DSP的控制總線控制，圖3為其外圍電路。

　　2．4 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)

　　為了避免系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)因意外斷電或通信故障而丟失，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲模塊。這里選用SAMSUNG公司的K9F1G16Q0M型Flash存儲器，片上容量為1Gb，具有16位地址總線，將其與數(shù)據(jù)總線相連，并與數(shù)據(jù)線的低8位復(fù)用。64 MB存儲空間需要16位地址總線，這就需要在使用時(shí)按照時(shí)序要求將地址用系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線分2次寫入。K9F1G16Q0M具有6根控制總線，均由DSP的控制線和地址線經(jīng)CPLD譯碼產(chǎn)生，而其工作狀態(tài)R／B則傳輸給DSP的INT端。相應(yīng)接口電路如圖4所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)以DSP為中央控制器，實(shí)現(xiàn)A/D采樣、數(shù)據(jù)存儲、與上位機(jī)通信等功能。由于DSP的選型，故軟件開發(fā)平臺是針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)。采集系統(tǒng)處于循環(huán)采樣狀態(tài)，根據(jù)被采樣信號特點(diǎn)選擇合適采樣速率。對于較大數(shù)據(jù)，DSP采用壓縮技術(shù)，以節(jié)約內(nèi)存空間。完成一組數(shù)據(jù)的采集后，將數(shù)據(jù)通過USB2．0接口傳送給上位機(jī)，并有選擇地在系統(tǒng)的Flash中備份數(shù)據(jù)。圖5為該系統(tǒng)主程序流程。

　　4 測試結(jié)果分析

　　經(jīng)測試，以MAX1420與TMS320C6713為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以50~60 Ms／s的采樣速率可穩(wěn)定工作，并實(shí)時(shí)備份數(shù)據(jù)。由于采用USB接口，可方便將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，且上位機(jī)軟件開發(fā)方便，也可在Windows XP平臺下直接讀取。該系統(tǒng)采用DSP控制，除完成數(shù)據(jù)采集外，還可實(shí)時(shí)信號處理數(shù)據(jù)。在測試中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和頻譜分析等算法處理。需要指出的是，由于MAX1420和TMS320C6713的封裝較小、引腳密，且系統(tǒng)工作頻率較高，故在PCB版圖設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試中，必須注意電磁兼容(EMC)問題，否則系統(tǒng)難以穩(wěn)定工作。

　　5 結(jié)束語

　　以高速A／D轉(zhuǎn)換器與DSP為核心，設(shè)計(jì)開放式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在采集過程采用中斷觸發(fā)方式，最高速度達(dá)60 Ms／s?？筛咚賹?shí)時(shí)采集有關(guān)圖像、聲音等物理量。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅開放、高速、高精度，而且體積小、低功耗、可靠性高，因此還可用于其他便攜式采集設(shè)備。由于系統(tǒng)采用DSP為核心控制器，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，可通過編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字信號處理功能，而無需增加新硬件。