宋宇飛 吳樂南 李小平

1 引言

數據采集系統是通信與信息技術領域中重要的功能模塊，應用廣泛。而傳統的數據采集系統大多以單片機或中規模數字電路為核心，其模數轉換器(a／d轉換器)采樣速率較低。顯然傳統數據采集系統不能完全滿足高速、高精度及具有數字信號處理功能要求，因此，這里提出一種基于dsptms320c6713和a/d轉換器和max1420的高速數據采集系統。該系統采用dsp控制max1420實現高速數據采集，完成必要的數據通信與數據存儲功能。其中，數據通信是將系統所采集的數據經通信接口傳給上位機；而數據存儲是系統存儲必要數據，防止由于系統掉電而丟失數據。另外，dsp除完成系統控制外，還可通過編程設置實現對采集數據進行實時數字信號處理。從而實現多種信號采集的開放式系統設計。

2 系統硬件設計

2．1 系統整體結構設計

該高速數據采集系統選用ti公司的tms320c6713型dsp作為核心控制器，內核采用超長指令字(vliw)體系結構，8個功能單元共用32個32位通用寄存器．最多可在一個周期內同時執行8條32位指令，提高程序執行速度；具有32位外部存儲器接口(emif)，尋址空間可達52 mb；可與sdram、sbram實現無縫連接，用于大容量高速存儲：直接異步存儲接口可與sram、eprom連接，用于小容量數據存儲和程序存儲：具有16個獨立的edma傳輸通道。在cpu不干預的情況下，支持多路數據的獨立快速傳輸；具有兩個支持全雙工通信的多通道緩沖串口mcbsp。

另外，tms320c6713便于擴展存儲器和i／o接口。其總線在片內不易受干擾，且應用體積小，容易采取屏蔽措施，故可工作在電磁干擾較強的環境下，可靠性高。tms320c6713采用增強型哈佛結構，可以完成并行指令操作。片上還集成有40位算術邏輯單元alu，2個17位×17位硬件乘法器等功能部件。

以tms320c6713為核心的數據采集系統的整體結構如圖1所示。該系統內部數據總線為32位，連接a/d轉換器、dsp、通信接口以及數據flash的數據線。dsp的地址總線經cpld澤碼，實現對a/d轉換器、通信接口、數據flash等器件的片選信號。dsp控制外圍器件時，需復用控制總線，因此也需對cpld進行譯碼。



2．2 a/d轉換器模塊設計

a/d轉換器模塊選用max1420。max1420是adi公司推出的12位a／d轉換器，其最高轉換速率是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。系統由dsp向max1420發送指令，控制a/d轉換時序。max1420的數據線與系統總線相連。max1420的地址線與控制線由dsp發出指令并經cpld譯碼，實現該器件的片選(cs)控制；max1420工作時cs保持低電平。max1420的工作狀態busy傳送給dsp的int端，請求dsp中斷，dsp按照時序要求控制max1420，完成a／d轉換。a／d轉換器硬件電路如圖2所示。



另外，系統若要實現時分采集多路數據，為簡化系統設計，只需在max1420前端加載多路模擬開關。使用ad7503就可實現8路模擬開關，從而實現多路數據采集。

2．3 通信接口模塊設計

本系統的通信接口有標準rs232和usb2．0兩種接口。由于tms320c6713片上有標準同步串行接口，若與外部同步串行通信，只需采用max3232完成ttl電平與eia電平的轉換。若采用異步串行接口．則可采用tl16c550實現該功能。這里采用ft245bm器件完成usb2．0接口，該器件主要功能是進行usb與并行i／o口之間的協議轉換。一方面可從主機通過usb接口接收數據，并將其轉換為并行i/o口的數據流格式發送給外設；另一方面外設可通過并行i/o接口將數據轉換為usb的數據格式傳輸至主機。中間的并行i／o接口與usb的協議轉換全部南該器件自動完成。與pc機通信時上位機軟件只需采用vb或vc結合控制時序即可實現。

ft245bm內部主要由usb收發器、串行接口引擎(sie)、usb協議引擎和先進先出(fifo)控制器等構成。usb收發器提供usb2．0的全速物理接口到usb總線，支持uhci／ohci主控制器；串行接口引擎實現usb數據的串／并雙向轉換，并遵循usb規范完成usb數據流的位填充／位反填充，以及循環冗余校驗碼(crc5／crc16)的產生和檢錯；usb協議引擎管理來自usb設備控制端口的數據流；fifo控制器處理外部接口和收發緩沖區間的數據轉換。

fifo控制器實現與dsp主機的接口，主要通過8根數據線d0～d7及讀寫控制線實現與dsp的數據交互。ft245bm內含2個fifo數據緩沖區：128 b接收緩沖區和384 b發送緩沖區，用于緩存usb數據與并行i／o口數據交換。另外，ft245bm還內置3．3 v穩壓器，6 mhz振蕩器、8倍頻的時鐘倍頻器、usb鎖相環和eeprom接口。ft245bm的8位數據線與系統總線的低8位相連，其時序由dsp的控制總線控制，圖3為其外圍電路。



2．4 數據存儲模塊設計

為了避免系統所采集的數據因意外斷電或通信故障而丟失，設計相應的數據存儲模塊。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，將其與數據總線相連，并與數據線的低8位復用。64 mb存儲空間需要16位地址總線，這就需要在使用時按照時序要求將地址用系統數據總線分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cpld譯碼產生，而其工作狀態r／b則傳輸給dsp的int端。相應接口電路如圖4所示。



3 系統軟件設計

該系統以dsp為中央控制器，實現a/d采樣、數據存儲、與上位機通信等功能。由于dsp的選型，故軟件開發平臺是針對tms320系列dsp的集成開發環境ccs(code composer studio)。采集系統處于循環采樣狀態，根據被采樣信號特點選擇合適采樣速率。對于較大數據，dsp采用壓縮技術，以節約內存空間。完成一組數據的采集后，將數據通過usb2．0接口傳送給上位機，并有選擇地在系統的flash中備份數據。圖5為該系統主程序流程。



4 測試結果分析

經測試，以max1420與tms320c6713為核心的數據采集系統，以50~60 ms／s的采樣速率可穩定工作，并實時備份數據。由于采用usb接口，可方便將采集數據上傳至上位機，且上位機軟件開發方便，也可在windows xp平臺下直接讀取。該系統采用dsp控制，除完成數據采集外，還可實時信號處理數據。在測試中，系統實時采集數據進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，且系統工作頻率較高，故在pcb版圖設計和系統調試中，必須注意電磁兼容(emc)問題，否則系統難以穩定工作。

5 結束語

以高速a／d轉換器與dsp為核心，設計開放式高速數據采集系統。該系統在采集過程采用中斷觸發方式，最高速度達60 ms／s。可高速實時采集有關圖像、聲音等物理量。該系統設計不僅開放、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備。由于系統采用dsp為核心控制器，具有強大的數字信號處理功能，可通過編程設置實現系統數字信號處理功能，而無需增加新硬件。