基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

1、僅供個(gè)人參考基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)摘要：提出了一種基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)其中高速A/D、高速緩存、DSP控制以及數(shù)據(jù)通訊接口等內(nèi)容進(jìn)行了討論，提出了更為有效的同步控制方式。該設(shè)計(jì)方案電路簡(jiǎn)單、可進(jìn)行多通道擴(kuò)展、具有一定的通用性。關(guān)鍵詞：DSP高速A/DFIFO異步串行通訊在電子測(cè)量中，常常需要對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行采集與處理。例如，在光傳感技術(shù)中，對(duì)光脈沖散射信號(hào)的測(cè)量；在雷達(dá)工程中，對(duì)電磁脈沖信號(hào)的測(cè)量等，就需要對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行采集與算是，而且對(duì)此類高速信號(hào)的測(cè)量，往往對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)提出嚴(yán)格的要求。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP勺高速數(shù)據(jù)采集與處理。該設(shè)計(jì)方案電路

2、簡(jiǎn)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#理器、通訊接口四個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse1同步與過程控制至發(fā)射機(jī)同步信號(hào)圖鬲速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)據(jù)圖在通常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，測(cè)量過程是通過對(duì)A/D變換器的控制來實(shí)現(xiàn)的。但對(duì)于一個(gè)伉速采集系統(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(zhǎng)時(shí)間，頻繁的改變A/D的工作狀態(tài)會(huì)影響測(cè)量的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成信號(hào)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

3、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(duì)高速FIFO的寫入端的控制，即允許或禁止對(duì)FIFO寫入，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)同步和過程控制更為有利。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse一次完整的測(cè)量過程是從DS磔出同步命令開始的。同步命令一方面觸發(fā)發(fā)射機(jī)工作，另一方面允許對(duì)FIFO寫入，對(duì)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)，F(xiàn)IFO的特定狀態(tài)位置位，引發(fā)DSP#部中斷。在中斷服務(wù)程序中，DSP禁止對(duì)FIFO寫入、中斷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)復(fù)位該狀態(tài)位。

4、然后讀取數(shù)據(jù)，待完成數(shù)據(jù)處理過程之后，DSP寸FIFO復(fù)位清零。此即完成一次測(cè)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(hào)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LQF叫裝。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse由于AD9432要求差分輸入形式，因此對(duì)于單端輸入信號(hào)必須經(jīng)過圖2所示的信號(hào)調(diào)理電路變換為差分形式。圖中，AD813縱差分輸出的高精度運(yùn)算放大器。時(shí)鐘對(duì)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

5、高采樣頻率下，為了保證測(cè)量的精度，AD9432要求時(shí)鐘波形的上升沿的下降沿小于2ns,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。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse3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CY7C4245CY7c424優(yōu)高速、低功耗4Kx18FIFO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(hào)，可以實(shí)現(xiàn)同步讀寫操作。C

6、Y7C4245提供五種狀態(tài)指示：Empty、AlmostEmpty、HalfFull、AlmostFull、Full,分別代表當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的深度。其中AlmostEmpty和AlmostFull為可編程空滿狀態(tài)位，可根據(jù)系統(tǒng)的需求對(duì)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(cè)量過程，由DSP實(shí)取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。4DSP處理器4.1 TMS320F206的特點(diǎn)DS比整個(gè)采集系統(tǒng)的核心，本文中選用TMS320F206該產(chǎn)品屬于TI公司采樣CMOS1成電路技術(shù)生產(chǎn)的TMS320C2XX列，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其匯編指令集與TMS3

7、20C5X1OEL H相兼容，其Qi-CLK 1Clock (100 MIL)1卜Q0-Q0 + CLKI?>一CLK0,clko7)>二、主要特點(diǎn)如下：(1) 運(yùn)算速度 可以達(dá)到 40MIPS;不得用于商業(yè)用途(2)4.5K片內(nèi)圖3整分時(shí)鐘電踹RAMf口32K片內(nèi)FLAS的儲(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，異步用行口具有波特率自動(dòng)檢測(cè)功能；(6)價(jià)格低廉4.2 數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理是DSP應(yīng)用的主要方面。DS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

8、令和更大的內(nèi)存空間，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。DSP1先要完成數(shù)制轉(zhuǎn)換，AD9432的量程為-500mV+500mV對(duì)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(hào)處理算法，如快速維納濾波、FFT5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。TMS320F20船有一個(gè)異步串行通訊端口，在40MH力卜頻條件下，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，異步用行口的工作框圖如圖5所示。其中，AXS時(shí)異步串行發(fā)送移位寄存器；ARS助

9、異步串行接收移位寄存器；ADT時(shí)異步數(shù)據(jù)發(fā)送接收寄存器，TXRXIN發(fā)送接收中斷（硬件中斷）。止匕外，TMS320F20由一個(gè)同步用行口，用于多機(jī)并行工作方式下DSPIl的數(shù)據(jù)交換。在40MH步卜頻時(shí)，其最高傳輸速率為20Mbit/s。5.2 波特率設(shè)置TMS320F206I一個(gè)16位寄存器BRDffl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：BRDfi=（外部時(shí)鐘頻率）/（16X波特率）表1列出了不同外部的時(shí)鐘頻率下常用波特率對(duì)應(yīng)的BRDB值。表1常用波特率轉(zhuǎn)換表波特率/bps外部時(shí)鐘頻率20MHz28.57MHz40MHz1200041105CC08232400020802E6

10、04114800010401730208圖4舁步串行口結(jié)枸框圖9600008200B90104192000041005C0082576000015001F002B5.3用行通信軟件設(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：僅供個(gè)人參考用行口初始化：setcINTM;禁止所有中斷splk#0ffffh,ifr;清中斷splk#0000h,60hout60h,wsgr;清等待狀態(tài)splk#0c180h,61hout61h,aspcr;復(fù)位異步用口，設(shè)發(fā)送、接收中斷，一個(gè)停止位splk#0e180h,61hout61h,aspcr;配置異步串口s

11、plk#4fffh,62hout62h,iosr;復(fù)位異步用口各狀態(tài)標(biāo)志splk#002Bh,63hout63h,brd;設(shè)波特率為57600splk#020h,imr；允許異步串行中斷mar*,ar1larar1,#rxbuf；設(shè)緩沖區(qū)指針mar*,ar0larar0,#size；設(shè)緩沖區(qū)大小發(fā)送中斷服TMS320F206RxTx務(wù)程序：VccC1+主控計(jì)算機(jī)splk #0ffffh,ifr 關(guān)中斷V+C2-V-C2+MAX232AC2.RloutKlinTlin*Hout圖5RS232驅(qū)動(dòng)電路僅供個(gè)人參考o(jì)ut*+,adtr;發(fā)送數(shù)據(jù)mar*,ar0;發(fā)送計(jì)數(shù)banzskip,ar1；若仍

12、有數(shù)據(jù)，發(fā)送緩沖區(qū)指錯(cuò)加skip:splk#0020h,ifr；允許中斷clrcINTM；清中斷ret接收中斷服務(wù)子程序：splk#0ffffh,ifr；關(guān)中斷in68h,iosrbit68h,7bcndskip,ntc;檢測(cè)接收標(biāo)志位in*,adtr;讀數(shù)據(jù)mar*,ar0banzskip,ar1；接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)同步命令觸發(fā)命令時(shí)鐘通訊接口skip:splk#0020h,ifr;開中斷clrc INTMret信號(hào)n高速A/D高速flFOW寫i空滿狀態(tài)DSP（從）圖6雙通道同步數(shù)據(jù)采集與處譴系統(tǒng)其中ifr為中斷 標(biāo)志寄存器；aspcr為主控計(jì)算機(jī)異步用行口控制寄存 器;imr為中斷屏蔽寄 存器；

13、iosr為I/O狀 態(tài)寄存器；wsgr為等不得用于商業(yè)用途待狀態(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RS232s準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)電路選用MAX232瘟片。MAX232勘耗低、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(jiǎn)單、可靠性好。RS232驅(qū)動(dòng)電品&如圖5所示。7 系統(tǒng)的擴(kuò)展本設(shè)計(jì)方案電路簡(jiǎn)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DS吃問的數(shù)據(jù)通訊采用同步串行方式。需要注意的是：對(duì)于多通道同步采樣系統(tǒng)，應(yīng)盡可能保證各通道參數(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(cè)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。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.Nurfurdenpers?nlichenfurStudien,harsczukommerziellenZ