基于DSP和MAX1420的高速数据采集系统设计

    1 引言

    数据采集系统是通信与信息技术领域中重要的功能模块，应用广泛。而传统的数据采集系统大多以单片机或中规模数字电路为核心，其模数转换器(A／D转换器)采样速率较低。显然传统数据采集系统不能完全满足高速、高精度及具有数字信号处理功能要求，因此，这里提出一种基于DSPTMS320C6713和A/D转换器和MAX1420的高速数据采集系统。该系统采用DSP控制MAX1420实现高速数据采集，完成必要的数据通信与数据存储功能。其中，数据通信是将系统所采集的数据经通信接口传给上位机；而数据存储是系统存储必要数据，防止由于系统掉电而丢失数据。另外，DSP除完成系统控制外，还可通过编程设置实现对采集数据进行实时数字信号处理。从而实现多种信号采集的开放式系统设计。

    2 系统硬件设计

    2．1 系统整体结构设计

    该高速数据采集系统选用TI公司的TMS320C6713型DSP作为核心控制器，内核采用超长指令字(VLIW)体系结构，8个功能单元共用32个32位通用寄存器．最多可在一个周期内同时执行8条32位指令，提高程序执行速度；具有32位外部存储器接口(EMIF)，寻址空间可达52 MB；可与SDRAM、SBRAM实现无缝连接，用于大容量高速存储：直接异步存储接口可与SRAM、EPROM连接，用于小容量数据存储和程序存储：具有16个独立的EDMA传输通道。在CPU不干预的情况下，支持多路数据的独立快速传输；具有两个支持全双工通信的多通道缓冲串口McBSP。

　　另外，TMS320C6713便于扩展存储器和I／O接口。其总线在片内不易受干扰，且应用体积小，容易采取屏蔽措施，故可工作在电磁干扰较强的环境下，可靠性高。TMS320C6713采用增强型哈佛结构，可以完成并行指令操作。片上还集成有40位算术逻辑单元ALU，2个17位×17位硬件乘法器等功能部件。

　　以TMS320C6713为核心的数据采集系统的整体结构如图1所示。该系统内部数据总线为32位，连接A/D转换器、DSP、通信接口以及数据Flash的数据线。DSP的地址总线经CPLD泽码，实现对A/D转换器、通信接口、数据Flash等器件的片选信号。DSP控制外围器件时，需复用控制总线，因此也需对CPLD进行译码。

        2．2 A/D转换器模块设计

　　A/D转换器模块选用MAX1420。MAX1420是ADI公司推出的12位A／D转换器，其最高转换速率是60 Ms/s，电源电压是3．3 V，允许输入信号范围是-1．024～+1．024 V，最大功耗218 mW。系统由DSP向MAX1420发送指令，控制A/D转换时序。MAX1420的数据线与系统总线相连。MAX1420的地址线与控制线由DSP发出指令并经CPLD译码，实现该器件的片选(CS)控制；MAX1420工作时CS保持低电平。MAX1420的工作状态BUSY传送给DSP的INT端，请求DSP中断，DSP按照时序要求控制MAX1420，完成A／D转换。A／D转换器硬件电路如图2所示。

　　另外，系统若要实现时分采集多路数据，为简化系统设计，只需在MAX1420前端加载多路模拟开关。使用AD7503就可实现8路模拟开关，从而实现多路数据采集。

　　2．3 通信接口模块设计

　　本系统的通信接口有标准RS232和USB2．0两种接口。由于TMS320C6713片上有标准同步串行接口，若与外部同步串行通信，只需采用MAX3232完成TTL电平与EIA电平的转换。若采用异步串行接口．则可采用TL16C550实现该功能。这里采用FT245BM器件完成USB2．0接口，该器件主要功能是进行USB与并行I／O口之间的协议转换。一方面可从主机通过USB接口接收数据，并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设；另一方面外设可通过并行I/O接口将数据转换为USB的数据格式传输至主机。中间的并行I／O接口与USB的协议转换全部南该器件自动完成。与PC机通信时上位机软件只需采用VB或VC结合控制时序即可实现。[page]

　　FT245BM内部主要由USB收发器、串行接口引擎(SIE)、USB协议引擎和先进先出(FIFO)控制器等构成。USB收发器提供USB2．0的全速物理接口到USB总线，支持UHCI／OHCI主控制器；串行接口引擎实现USB数据的串／并双向转换，并遵循USB规范完成USB数据流的位填充／位反填充，以及循环冗余校验码(CRC5／CRC16)的产生和检错；USB协议引擎管理来自USB设备控制端口的数据流；FIFO控制器处理外部接口和收发缓冲区间的数据转换。

        FIFO控制器实现与DSP主机的接口，主要通过8根数据线D0～D7及读写控制线实现与DSP的数据交互。FT245BM内含2个FIFO数据缓冲区：128 B接收缓冲区和384 B发送缓冲区，用于缓存USB数据与并行I／O口数据交换。另外，FT245BM还内置3．3 V稳压器，6 MHz振荡器、8倍频的时钟倍频器、USB锁相环和EEPROM接口。FT245BM的8位数据线与系统总线的低8位相连，其时序由DSP的控制总线控制，图3为其外围电路。


　　2．4 数据存储模块设计

　　为了避免系统所采集的数据因意外断电或通信故障而丢失，设计相应的数据存储模块。这里选用SAMSUNG公司的K9F1G16Q0M型Flash存储器，片上容量为1Gb，具有16位地址总线，将其与数据总线相连，并与数据线的低8位复用。64 MB存储空间需要16位地址总线，这就需要在使用时按照时序要求将地址用系统数据总线分2次写入。K9F1G16Q0M具有6根控制总线，均由DSP的控制线和地址线经CPLD译码产生，而其工作状态R／B则传输给DSP的INT端。相应接口电路如图4所示。

　　3 系统软件设计

　　该系统以DSP为中央控制器，实现A/D采样、数据存储、与上位机通信等功能。由于DSP的选型，故软件开发平台是针对TMS320系列DSP的集成开发环境CCS(Code Composer Studio)。采集系统处于循环采样状态，根据被采样信号特点选择合适采样速率。对于较大数据，DSP采用压缩技术，以节约内存空间。完成一组数据的采集后，将数据通过USB2．0接口传送给上位机，并有选择地在系统的Flash中备份数据。图5为该系统主程序流程。

　　4 测试结果分析

　　经测试，以MAX1420与TMS320C6713为核心的数据采集系统，以50~60 Ms／s的采样速率可稳定工作，并实时备份数据。由于采用USB接口，可方便将采集数据上传至上位机，且上位机软件开发方便，也可在Windows XP平台下直接读取。该系统采用DSP控制，除完成数据采集外，还可实时信号处理数据。在测试中，系统实时采集数据进行滤波和频谱分析等算法处理。需要指出的是，由于MAX1420和TMS320C6713的封装较小、引脚密，且系统工作频率较高，故在PCB版图设计和系统调试中，必须注意电磁兼容(EMC)问题，否则系统难以稳定工作。

　　5 结束语

　　以高速A／D转换器与DSP为核心，设计开放式高速数据采集系统。该系统在采集过程采用中断触发方式，最高速度达60 Ms／s。可高速实时采集有关图像、声音等物理量。该系统设计不仅开放、高速、高精度，而且体积小、低功耗、可靠性高，因此还可用于其他便携式采集设备。由于系统采用DSP为核心控制器，具有强大的数字信号处理功能，可通过编程设置实现系统数字信号处理功能，而无需增加新硬件。