1 引言
title="數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">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(hào)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(chǔ)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(chǔ)是系統(tǒng)存儲(chǔ)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(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理。從而實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)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(zhǎng)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(chǔ)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(chǔ):直接異步存儲(chǔ)接口可與SRAM、EPROM連接,用于小容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ):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(chǔ)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(duì)A/D轉(zhuǎn)換器、通信接口、數(shù)據(jù)Flash等器件的片選信號(hào)。DSP控制外圍器件時(shí),需復(fù)用控制總線,因此也需對(duì)CPLD進(jìn)行譯碼。
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(hào)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(qǐng)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(jiǎn)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(dòng)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。
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(chǔ)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(chǔ)模塊。這里選用SAMSUNG公司的K9F1G16Q0M型Flash存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)、與上位機(jī)通信等功能。由于DSP的選型,故軟件開發(fā)平臺(tái)是針對(duì)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(hào)特點(diǎn)選擇合適采樣速率。對(duì)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(cè)試結(jié)果分析
經(jīng)測(cè)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(tái)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(hào)處理數(shù)據(jù)。在測(cè)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(yǔ)
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(hào)處理功能,可通過編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理功能,而無需增加新硬件。