多通道零相位差数据采集系统设计与实现

引言 ---- 数据采集技术是以前端的模拟信号处理、数字化、数字信号处理和计算机等高科技为基础而形成的一门综合技术，是联系模拟世界和数字世界的桥梁。它在许多领域得到了广泛的应用。数字技术促进了上述这些领域的发展，而反过来又对数据采集系统提出了愈来愈高的要求，本文所设计的16位16通道零相位差数据采集系统不仅具有较高的转化精度，而且提供多通道零相位差特性。正是由于各通道之间的信号在数字化之后，不存在相位差，这对那些诸如声纳阵列、多点振动检测、电力系统监测等需要对多路信号进行相位相关特性分析的事件而言，使用这种采集系统就特别有意义。USB接口的普遍性使本系统很容易与PC机接口。 1 系统设计 ---- 16位16通道零相位差数据采集系统的结构框图如图1所示。其核心部分是A/D转换器和DSP，此外还有一些外围电路。 图1：系统结构框图 1.1 A/D转换器的设计 ---- 为使转换能达到一定速率，选择16位并行接口A/D转换器。这种芯片好几家公司都有，表1列出了一些芯片的主要特性。 ---- A/DX（以上五种芯片的统称，下同）的详细特性请查阅各公司的产品资料。A/DX有两种工作模式：第一种如图2所示，R/C控制转换，CS接地。这种模式，每片A/DX都需要一片7416374来暂存转换结束的数据。第二种工作模式如图3，由CS来控制转换和读时序，这样可以省去7416374，使电路简化，但它的时序比较严格。启动转换时，R/C和CS要同时为低，且R/C要比CS提前10ns为低；读数据时，R/C为高，CS为低。幸好TI公司的DSP可以满足该时序要求。 图2：由R/C控制的转换时序图（CS接地） 图3：由CS控制的转换和读时序图 1.2 数字信号处理器设计 ---- 数字信号处理器（DSP）是针对数字信号处理的特点而设计的一种单片机，但现在它也广泛的应用于各控制领域。为了使本系统达到一定的采样率，并有一定的通道扩展率（可扩展到96通道），本系统采用了TI公司的16位定点的DSPTMS320C50。 图4：DSP读写信号时序图 ---- 由图4可以看到IS、STRB和RD控制信号正好满足A/DX的时序要求。 1.3 USB接口电路的设计 ---- USB接口可以有很多方法完成，如可以用专用USB接口芯片，也可以用带有USB接口的单片机或直接用FPGA来完成USB接口。本系统使用INTEL的带有USB接口的单片机8X930AX，它与普通的MCS51系列的单片机相比，只增加了USB接口，所以可以参考普通的MCS51系列单片机的设计。在8X930AX与DSP之间可以用一FIFO来缓存数据。 2 系统工作原理 ---- 如图1所示，系统总体结构以PC为主机，DSP为辅助处理器，它们之间通过USB接口通信。16路输入信号各自都由采样保持器和ADC，它们都由同一个采样定时器启动转换，每个通道都选用同样的器件与电路，这样就保证了对16路模拟输入信号采样的同时性，以达到零相位差的目的。 ---- 由PC机下指令给DSP需要多少采样，然后DSP就启动转换，接着DSP查询A/DX的转换结束就读数据，最终把数据送到FIFO，并通知8X930AX可以把数据送到PC机了。 ---- 在该系统中，DSP负责完成全部16通道的采样时钟产生、时序控制、数据读入等工作。利用DSP技术来设计这样一种多通道数据采集系统，其灵活的硬件结构及开放型的软件设计不但能满足该系统的要求，而且具有非常广阔的功能拓展潜力。工作过程简述如下。 2.1 采样时钟的产生 ---- 采样时钟的产生有两种方法可以实现：利用DSP的定时器功能可以非常方便的产生ADC采样时钟；因为DSP一般都为单周期指令，因而也可以直接用机器指令数定时。这样做既简化了电路，减少了噪声源，也为A/DX与DSP的同步提供了方便。 2.2 启动转换和数据读入 ---- 本系统采用A/DX的第二种工作模式，DSP的IS、STRB和地址信号通过译码来控制R/C，IS、STRB、RD和地址信号通过译码来控制CS。通过读I/O0来启动A/DX，转换结束后通过读I/O1、I/O2、、、I/O16把数据读进来，再把数据送到FIFO，让8X930AX送给PC机。 3 结论 ---- 目前，该系统已经达到了预定的设计指标（25KSPS），并还留有一定的余量，如提高采样率，增加通道数等。本系统采用了当今流行的USB总线接口，可以很方便的与便携式计算机接口，而不需要其它的控制卡，如ISA总线卡、PCI总线卡等。由于USB总线现在最快也只能达到12Mb/s，如果通道数多，或采样率高，可以采用USB 2.0（可以480Mb/s的速度传输）或IEEE 1394总线，它们可以达到更高的传输速率。