基于DSP和MAX1420的高速數據采集系統設計

　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。