基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

作者：時間：2009-02-26 來源：網(wǎng)絡

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在電子測量中,常常需要對高速信號進行采集與處理。例如,在光傳感技術中,對光脈沖散射信號的測量;在雷達工程中,對電磁脈沖信號的測量等,就需要對高速信號進行采集與處理,而且對此類高速信號的測量,往往對數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)提出嚴格的要求。

　　本文設計并實現(xiàn)了一種基于 DSP的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該設計方案電路簡單、可靠性好、具有一定的通用性、可以進行多通道擴展。系統(tǒng)主要包括高速A/D、高速緩存、DSP處理器、通訊接口四個部分,其結構示意圖如圖1所示。

本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/152629.htm

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變換器的控制來實現(xiàn)的。但對于一個高速采集系統(tǒng)而言,這種方法有局限性。因為高速A/D建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)需要相當長時間,頻繁的改變A/D的工作狀態(tài)會影響測量的精度,嚴重時會造成信號的失真。

　　在本設計方案中,同步命令并不直接作用于高速A/D。自通電時起,A/D和時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)射機工作,另一方面允許對FIFO寫入,對采樣的數(shù)據(jù)進行存儲。當存儲的數(shù)據(jù)到達預定的數(shù)量時,FIFO的特定狀態(tài)位置位,引發(fā)DSP外部中斷。在中斷服務程序中,DSP禁止對FIFO寫入、中斷數(shù)據(jù)的存儲,同時復位該狀態(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復位清零。此即完成一次測量。

2 高速A/D轉換器

　　高速A/D轉換器選用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,差分外部時鐘,片內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所示的信號調理電路變換為差分形式。圖中,AD8138為差分輸出的高精度運算放大器。

時鐘對于一個高速數(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要求時鐘波形的上升沿和下降沿小于2ns,這樣的標準在TTL邏輯下難以實現(xiàn),但利用ECL器件可以有效地解決此問題,圖3為差分時鐘電路。

需要說明的是:ECL器件的驅動能力有限,一路差分時鐘輸出一般只供一個器件使用。

3 高速緩存FIFO

　　高速緩存是系統(tǒng)中的一個關鍵環(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存儲器,讀寫周期為10ns,具有獨立的18位輸入、輸出接口和讀、寫時鐘信號,可以實現(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,分別代表當前數(shù)據(jù)存儲的深度。其中Almost Empty 和Almost Full 為可編程空滿狀態(tài)位,可根據(jù)系統(tǒng)的需求對存儲進行設定。FIFO的狀態(tài)信息代表了已采樣的點數(shù),當采樣點數(shù)達到預期的數(shù)量時,相應的狀態(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)進行處理。

4 DSP處理器

4.1 TMS320F206的特點

　　DSP是整個采集系統(tǒng)的核心,本文中選用 TMS320F206。該產(chǎn)品屬于TI公司采用CMOS集成電路技術生產(chǎn)的TMS320C2XX系列,設計結構及其匯編指令集與TMS320C5X相兼容,其主要特點如下:

　　(1)運算速度可以達到40MIPS;

　　(2)4.5K片內RAM和32K片內FLASH存儲器;

　　(3)32位算術邏輯單元和32位累加器;

　　(4)16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線;

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

　　(6)價格低廉。

4.2 數(shù)字信號處理

　　數(shù)字信號處理是DSP應用的主要方面。DSP所提供的數(shù)學運算能力和運算速度遠遠高于單片機,具有更為豐富的指令集和更大的內存空間,可以實現(xiàn)較為復雜的數(shù)學算法。

　　DSP首先要完成數(shù)制轉換,AD9432的量程為-500mV～+500mV。對于負電平,采樣數(shù)據(jù)以二進制補碼的形式輸出,需將12位補碼轉換為16位二進制整數(shù);更為重要的是DSP要實現(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)與主控計算機之間的數(shù)據(jù)交換采用異步串行通訊方式。TMS320F206帶有一個異步串行通訊端口,在40MHz外頻條件下,最高傳輸速率達到2.5Mbit/s。發(fā)送和接收使用獨立的緩沖區(qū),可以實現(xiàn)全雙工工作方式,異步串行口的工作框圖如圖4所示。