基于DSP和AD976A的高速数据采集系统设计

基于DSP和AD976A的高速数据采集系统设计
宋宇飞,沈卫康,周云松,戎红军
(南京工程学院通信工程学院,江苏南京　211167)
摘要:介绍了数据采集系统的发展状况,分析了高速数据采集系统应满足的性能要求,给出了系统硬件结构图及主要模块电路,说明了系统软件的结构与主要程序流程。

使用AD976A为A/D 转换芯片,DSP(TMS320C5402)为中央控制芯片,F T245BM为USB2.0通信接口芯片,FLASH 为数据存储芯片,最终完成了高速数据采集系统的设计方案。

关键词:DSP;数据采集;USB通信接口;数据存储
中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2007)19-0077-04
开放化、高速化和高精度化都是现代信息技术的发展趋势和研究热点。

数据采集系统是通信技术和数控技术领域的重要功能模块,应用领域十分广泛。

传统的数据采集系统,其中央控制多采用单片机或中规模数字电路,A/D芯片的采样速率也仅有几k/s到十几k/s。

现代数据采集系统要求高速、高精度及系统上具有数字信号处理功能。

传统的数据采集系统不完全满足这些要求,所以研究高速数据采集系统就显得十分必要。

本次设计的中央控制芯片选用DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理芯片)。

DSP具有高速、高精度的运算能力,强大、方便的数据通信能力,灵活、可靠的编程与信号处理能力。

设计选用的A/D转换芯片是AD公司推出的AD976A,其转换精度是16位,转换速率最高可达200k/s。

系统的核心采用DSP控制AD976A实现高速数据采集的功能。

系统还需完成必要的数据通信与数据存储功能。

数据通信是将系统所采集的数据经通信接口传给上位机。

数据存储是在系统上存储必要的数据,防止数据由于系统突然掉电而丢失。

另外,DSP除完成对系统的中央控制外,还可以编写相关的数字信号处理算法程序。

这样就可在系统上方便实现对所采集的数据进行实时的数字信号处理,而不必增加其他硬件电路。

由于使用AD976A、DSP等集成度较高的芯片,系统具有高速、省电、可靠、通用性强等突出优点。

1　功能需求分析
本设计是要实现能对多种信号进行采集的开放式系统[1,2],主要针对的应用背景是数控机床。

在数控机床进行精密机械加工时,需要对电动机工作电流、转速、转矩、温升及振动情况加以监控。

对以上的各种数据进行监控时,要求在数据采集的时间上具有相关性。

在数控机床工作过程中,对有关信号的采集需要使用多种传感器,而且传感器的输出须经过调理电路。

调理电路将信号调整为系统可接受的标准电压。

鉴于此,本次设计主要完成能对标准电压数据进行采集的开放式系统。

根据开放式采集系统的要求,系统设计需要关注以下问题:
a.采样精度与采样速率。

采样精度是数据采集系统首先需要重视的问题。

采样精度与A/D转换芯片的位数直接相关,位数越高精度越高,转换误差由A/D转化芯片最低位的位权值决定。

结合A/D转换芯片的性能价格情况,选择16位的A/D转换芯片较为适宜。

高速数据采集系统对采样速率一般要求达到100k/s以上,而且在使用过程中可根据采样数据情况调整采样速率。

b.通信接口。

系统除完成本地的数据采集外,还必须完成将所采集的数据经过通信接口传输给上位机,由上位机汇总数据并进行分析处理。

通信接口要满足传输速度快和方便连接等特点。

一般此类通信接
收稿日期:2007-08-23
基金项目:先进数控技术江苏省高校重点实验室开放基金资助项目(KX J05014)
作者简介:宋宇飞(1979-),男,河北宣化人,南京工程学院助教,硕士,主要从事电子系统设计与数字信号处理的研究工作。

口选用标准RS232串口。

USB2.0接口对比标准RS232串口的传统方式,具有传输速度快、占用资源少及真正的即插即用等优点。

若选用USB2.0
接口,系统使用将更加方便[3]。

c.数据备份。

对于本地数据采集系统,除将数据传输给上位机外,还要在系统中进行必要的数据备份。

系统对数据有选择的备份,可以防止由于突然断电或通信故障所造成的数据丢失。

数据备份所选用的存储芯片应满足存储速度快、存储容量大、体积较小的特点。

d.系统控制与信号处理。

系统CPU要完成对A/D的高速控制、与上位机的数据传输、必要数据的本地备份等功能。

另外系统CPU除完成中央控制外,还须兼顾在系统上对所采集的数据进行必要的预处理。

2　硬件设计
2.1　整体结构设计
根据以上功能分析,本次设计的高速数据采集系统的中央控制由DSP完成,选用的芯片是美国TI公司的TMS320C5402[4,5]。

TMS320C5402是16位定点DSP,片上有32kB存储空间,全双工串口,支持16位数据传输,具有时分多路串口TMD、缓冲串口BSP、8位并行主机接口HPI、可编程等待状态发生器、可编程分区转换逻辑电路、内部振荡器或外部时钟源的片上锁相环PLL时钟发生器、16位可编程定时器、外部总线关断及保持控制器等。

另外,TMS320C5402方便扩展存储器和I/O 接口。

TMS320C5402总线在片内不易受到干扰,且其应用体积小,容易采取屏蔽措施,故可以在电磁干扰较强的环境下工作,可靠性高。

TMS320C5402采用增强型哈佛结构,可以完成并行指令操作。

TMS320C5402还有40位算术逻辑单元AL U,17位×17位硬件乘法器等功能部件。

TMS320C5402还具有省电低功耗方式,故其既可以完成本地数据采集,也可以用于便携式设备。

以上功能足以满足高速数据采集系统的中央控制与数据处理功能。

以TMS320C5402为核心的数据采集系统的整体结构如图1所示。

系统内部数据总线为16位,将A/D、DSP、通信接口、数据FLASH的数据线连接起来。

DSP发出的地址总线经过CPLD译码,从而实现对A/D、通信接口、数据FLASH等芯片的片选信号。

DSP对外围芯片进行控制时,控制总线需要复用,因此也需要CPLD进行译码。

图1　系统整体结构图
2.2　A/D模块设计
A/D模块选用AD976A为核心芯片。

AD976A是美国AD公司推出的16位A/D转换芯片,其最高转换速率是200k/s,电源电压是5V,允许输入信号范围是-10V～+10V,最大功耗是100mW。

系统由DSP对AD976A发出指令,控制A/
D转换时序。

AD976A的数据线与系统总线相连。

AD976A的地址线与控制线由DSP发出并经CPLD译码,完成对AD976A的CS片选控制,在AD976A工作时CS须保持低电平。

AD976A的工作状态BUSY传送给DSP的IN T端,从而对DSP 提请中断,DSP按照时序要求对AD976A进行控制,完成A/D转换。

相应的A/D转换硬件电路如图2所示。

图2　A/D模块硬件电路
另外,若要实现对多路数据的时分采集,为了简化系统不必使用多个AD976A的独立采样通道,只需在AD976A的前端加装多路模拟开关。

使用AD7503就可以实现8路模拟开关,这样就可以在硬件增加很少的情况下,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两种:一种是标准RS232串行接口;另一种是USB2.0接口。

由于DSP芯片TMS320C5402片上有标准同步串口,若与外部进行同步串行通信时,只需用MAX3232完成TTL 电平与EIA电平的转换。

若采用异步串口,一般
则需要结合数据总线、地址总线和必要的控制线设计出异步串口,可采用TL16C550完成此功能。

USB2.0接口相对传统的标准串口方式,具有传输速度快、占用资源少以及真正的即插即用等优点。

在传统的应用中,USB的开发要求设计人员对USB的标准、Firmware(固件)编程及驱动程序的编写等有较深入的理解,因此对USB的开发造成了诸多不便。

本次设计采用F T245BM芯片完成USB2.0接口。

F T245BM芯片的主要功能是进行USB和并行I/O口之间的协议转换。

该芯片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口将数据转换为USB 的数据格式传回主机。

中间的并行I/O口与USB 的协议转换工作全部由芯片自动完成,无需考虑固件的设计。

与PC机通信时上位机软件只需用VB 或VC结合时序就可以方便编写。

F T245BM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U HCI/OHCI主控制器;串行接口引擎主要用于完成USB数据的串/并双向转换,并按照USB的规范来完成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及读写控制线来完成和DSP的数据交互。

F T245BM内含2个FIFO数据缓冲区:接收缓冲区有128字节;发送缓冲区有384字节,它们在USB数据与并行I/O口数据的交换中起缓冲作用。

另外F T245BM还包括1个内置的3.3V的稳压器、1个6MHz的振荡器、8倍频的时钟倍频器、USB锁相环和EEPROM接口。

由于F T245BM的数据线是8位,将其与系统总线的低8位相连。

F T245BM的时序控制由DSP 芯片的控制线发出。

与F T245BM相连的电路如图3所示。

2.4　数据存储模块设计
为了避免系统所采集的数据由于意外断电或通信故障所造成的数据丢失,设计了相应的数据存储模块。

系统选用了韩国SAMSUN G公司的型号为K9F1G16Q0M的FLASH存储芯片。

此款芯片有1Gbit的存储容量,
即16M字的存储容量。

K9F1G16Q0M有16位地址线,将其与数据总线相连。

K9F1G16Q0M的地址线与数据线的低8位复用。

64M字节的存储空间需要16位地址线,这就需要在使用时按照时序要求将地址分2次写入,写地址时使用的是系统数据总线,这是使用时尤其需要注意的。

K9F1G16Q0M的控制总线有6根,均由DSP的控制线和地址线经CPLD译码产生。

K9F1G16Q0M的工作状态R/B回传给DSP的IN T端。

相应的接口电路如图4所示。

图3　USB通信接口模块电路
图4　数据存储模块硬件电路
3　软件设计
系统以DSP为中央控制芯片,完成对A/D采
样、数据存储、与上位机通信等功能。

由于DSP 选
用TI 公司的TMS320C5402,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 )。

采集系统平时一直处于循环采样状态,根据被采样信号的特点选择合适的采样速率。

对于数据量较大的数据,在DSP 中采用了数据压缩技术,以节约内存空间。

完成一组数据的采集后,将数据通过USB 2.0接口传送给上位机,并有选择性地在系统的FLASH 中备份数据。

系统的主程序流程如图5所示。

图5　主程序流程图
4　结束语
本系统采用AD976A 与TMS320C5402为核
心,完成了开放式高速数据采集系统设计。

系统的采集过程采用中断触发方式,最高采样速度可达200k/s 。

系统的应用背景主要是在数控机床中,对有关状态的物理量进行高速实时采集。

系统除了具有开放、高速、高精度的特点外,还具有体积小、低功耗、可靠性高的特点,因此还可以应用于其他的便携式采集设备。

另外由于系统采用了DSP 为中央控制芯片,DSP 具有强大的数字信号处理功能,所以此采集系统可以通过编写数据处理的算法程序,来实现系统上的数字信号处理功能,而不必为之增加新硬件。

参考文献:
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Design of High Speed Data Acquisition System B ased on AD 976A and DSP
SON G Yu -fei ,SHEN Wei -kang ,ZHOU Yun -song ,RON G Hong -jun
(Nanjing Institute of Technology ,Jiangsu Nanjing ,211167,China )
Abstract :It introduces the status of the data acquisition system ,analyzes the function demands of the high speed data acquisition system ,gives in detail about the system frame and the circuits of the main module.In this system ,it uses AD976A as the analog to digital converter ,DSP (TMS320C5402)as the CPU ,and takes F T245BM to realize the USB2.0communication interface function ,FLASH memory is used to backup the sampling data.It shows the design scheme for high speed data acquisition system.K ey w ords :DSP ;Data Acquisition ;USB Communication Interface ;Data storage (上接第76页)
缘检测模型,并给出了边缘检测算法。

通过理论分
析和实验比较可以看出,基于熵差的多尺度多方向的二值图像的边缘检测法相对经典的边缘检测算子能更多地提取图像的细节信息。

参考文献:
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[3]　孟庆生.信息论[M ].西安:西安交通大学出版社,1986.
The Edge Detection Method of Binary Image B ased on E ntropy Difference
L I Jian -J un ,WEI Zhi -Hui ,ZHAN G Zheng -J un
(Nanjing University of Science &Technology ,Jiangsu Nanjing ,210094,China )
Abstract :It proposes a multi -resolution model of binary images edge detection.The model is based on a con 2cept called entropy difference.It compares this model with sobel method of edge detection by simulation.Ex 2perimental results are very satisfactory.
K ey w ords :Entropy ;Edge Detection ;Binary Image。