基于DSP的高速数据采集与处理系统

    摘要：提出了一种基于DSP的高速数据采集系统的设计方案，对其中高速A/D、高速缓存、DSP控制以及数据通讯接口等内容进行了讨论，提出了更为有效的同步控制方式。该设计方案电路简单、可进行多通道扩展、具有一定的通用性。

    关键词：DSP 高速A/D FIFO 异步串行通讯

在电子测量中，常常需要对高速信号进行采集与处理。例如，在光传感技术中，对光脉冲散射信号的测量；在雷达工程中，对电磁脉冲信号的测量等，就需要对高速信号进行采集与算是，而且对此类高速信号的测量，往往对数据采集与处理系统提出严格的要求。

本文设计并实现了一种基于DSP的高速数据采集与处理。该设计方案电路简单、可靠性好、具有一定的通用性、可以进行多通道扩展。系统主要包括高速A/D、高速缓存、DSP处理器、通讯接口四个部分，其结构示意图如图1所示。

1 同步与过程控制

在通常的数据采集系统中，测量过程是通过对A/D变换器的控制来实现的。但对于一个伉速采集系统而言，这种方法有局限性。因为高速A/D建立稳定的工作状态需要相当长时间，频繁的改变A/D的工作状态会影响测量的精度，严重时会造成信号的失真。

在本设计方案中，同步命令并不直接作用于高速A/D。自通电时起，A/D和时钟电路始终处于工作状态，同步命令通过对高速FIFO的写入端的控制，即允许或禁止对FIFO写入，实现对采样数据的取舍。与A/D相比，高速FIFO的写有效时间为3ns，对同步和过程控制更为有利。

一次完整的测量过程是从DSP发出同步命令开始的。同步命令一方面触发发射机工作，另一方面允许对FIFO写入，对采样的数据进行存储。当存储的数据到达预定的数量时，FIFO的特定状态位置位，引发DSP外部中断。在中断服务程序中，DSP禁止对FIFO写入、中断数据的存储，同时复位该状态位。然后读取数据，待完成数据处理过程之后，DSP对FIFO复位清零。此即完成一次测量。

2 高速A/D转换器

高速A/D转换器选用AD9432，采样位数12位，最高采样速率105MHz，模拟带宽500MHz，差分信号输入，差分外部时钟，片内带有输入缓存和采样/保持器，12位并行数据输出，52引脚LQFP封装。

由于AD9432要求差分输入形式，因此对于单端输入信号必须经过图2所示的信号调理电路变换为差分形式。图中，AD8138为差分输出的高精度运算放大器。

时钟对于一个高速数据采集系统而言是十分重要的。在最高采样频率下，为了保证测量的精度，AD9432要求时钟波形的上升沿的下降沿小于2ns，样的标准在TTL逻辑下难以实现，但利用ECL器件可以有效地解决此问题，图3为差分时钟电路。

需要说明的是：ECL器件的驱动能力有限，一路差分时钟输出一般只供一个器件使用。

3 高速缓存FIFO

高速缓存是系统中的一个关键环节，根据系统的需求我们选用CY7C4245。

CY7C4245是高速、低功耗4K×18 FIFO存储器，读写周期为10ns，具有独立的18位输入、输出接口和读、写时钟信号，可以实现同步读写操作。CY7C4245提供五种状态指示：Empty、Almost Empty、Half Full、Almost Full、Full，分别代表当前数据存储的深度。其中Almost Empty和Almost Full为可编程空满状态位，可根据系统的需求对存储进行设定。FIFO的状态信息代表了已采样的点数，当采样点数达到预期的数量时，相应的状态位置位，触发DSP的外部中断，中止测量过程，由DSP读取数据进行处理。

4 DSP处理器

4.1 TMS320F206的特点

DSP是整个采集系统的核心，本文中选用TMS320F206。该产品属于TI公司采样CMOS集成电路技术生产的TMS320C2XX系列，设计结构及其汇编指令集与TMS320C5X相兼容，其主要特点如下：

（1）运算速度可以达到40MIPS;

（2）4.5K片内RAM和32K片内FLASH存储器；

（3）32位算术逻辑单元和32位累加器；

（4）16位地址总线和16位数据总线；

（5）具有一个异步串行通讯接口和一个同步串行通讯接口，异步串行口具有波特率自动检测功能；

（6）价格低廉。

4.2 数字信号处理

数字信号处理是DSP应用的主要方面。DSP所提供的数学运算能力和运算速度远远高于单片机，具有更为丰富的指令和更大的内存空间，可以实现较为复杂的数学算法。

DSP首先要完成数制转换，AD9432的量程为-500mV～+500mV。对于负电平，采样数据以二进制补码的形式输出，需将12位补码转换为16位二进制整数；更为重要的是DSP要实现系统所要求的数字信号处理算法，如快速维纳滤波、FFT等。

5 数据通讯

5.1 异步串行通讯

数据采集系统与主控计算机之间的数据交换采用异步串行通讯方式。TMS320F206带有一个异步串行通讯端口，在40MHz外频条件下，最高传输速率达到2.5Mbit/s。发送和接收使用独立的缓冲区，可以实现全双工工作方式，异步串行口的工作框图如图5所示。

其中，AXSR为异步串行发送移位寄存器；ARSR为异步串行接收移位寄存器；ADTR为异步数据发送接收寄存器，TXRXINT为发送接收中断（硬件中断）。

此外，TMS320F206有一个同步串行口，用于多机并行工作方式下DSP之间的数据交换。在40MHz外频时，其最高传输速率为20Mbit/s。

5.2 波特率设置

TMS320F206有一个16位寄存器BRD用于设定异步串行通讯所使用的波特率，其数值计算公式如下：

BRD值=（外部时钟频率）/（16×波特率）

表1列出了不同外部的时钟频率下常用波特率对应的BRD数值。

表1 常用波特率转换表

波特率/bps外部时钟频率20MHz28.57MHz40MHz1200041105CC08232400020802E6041148000104017302089600008200B90104192000041005C0082576000015001F002B

5.3 串行通信软件设计

为了提高效率，数据的发送和接收均采用中断方式，串行通讯波特率为57600，汇编程序代码如下：

串行口初始化：

setc INTM ;禁止所有中断

splk #0ffffh，ifr ；清中断

splk #0000h,60h

out 60h,wsgr ;清等待状态

splk #0c180h,61h

out 61h,aspcr ;复位异步串口，设发送、接收中断，一个停止位

splk #0e180h,61h

out 61h,aspcr ;配置异步串口

splk #4fffh,62h

out 62h,iosr ;复位异步串口各状态标志

splk #002Bh,63h

out 63h,brd ;设波特率为57600

splk #020h,imr ；允许异步串行中断

mar *,ar1

lar ar1,#rxbuf ；设缓冲区指针

mar *,ar0

lar ar0,#size ；设缓冲区大小

发送中断服务程序：

…………

splk #0ffffh,ifr ；关中断

out *+,adtr ；发送数据

mar *,ar0 ；发送计数

banz skip,ar1 ；若仍有数据，发送缓冲区指错加1

skip:splk #0020h,ifr ；允许中断

clrc INTM ；清中断

ret

接收中断服务子程序：

…………

splk #0ffffh,ifr ；关中断

in 68h,iosr

bit 68h,7

bcnd skip,ntc ；检测接收标志位

in *,adtr ；读数据

mar *,ar0

banz skip,ar1 ；接收数据计数

…………

skip:splk #0020h,ifr ；开中断

clrc INTM

ret

其中ifr为中断标志寄存器；aspcr为异步串行口控制寄存器；imr为中断屏蔽寄存器；iosr为I/O状态寄存器；wsgr为等待状态寄存器。

6 RS232接口电路

该系统中DSP与主控计算机的数据通讯采用RS232标准，驱动电路选用MAX232A芯片。MAX232A功耗低、集成度高、片内集成电荷泵，只需外接+5V电源，具有两个发送接收通道，接口电路简单、可靠性好。RS232驱动电路如图5所示。

7 系统的扩展

本设计方案电路简单、易于实现、具有一定的通用性，在此基础上可以扩展为同步采样的多通道采集系统，如图6所示。图中，主从DSP之间的数据通讯采用同步串行方式。

需要注意的是：对于多通道同步采样系统，应尽可能保证各通道参数的一致性。