基于DSP的多通道数据采集系统的设计与实现

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文章编号：１００８－０５７０（２００７）１１－２－０１８５－０３

ＤＳＰ开发与应用

基于ＤＳＰ的多通道数据采集系统的设计与实现

ＴｈｅＤＳＰ－ＢａｓｅｄＤｅｓｉｇｎＡｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎＯｆＴｈｅＭｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

（重庆大学）王洪梅

ＷＡＮＧＨＯＮＧＭＥＩ

摘要：本文介绍了一种基于ＤＳＰ的多路数据采集卡的设计和实现方案，从系统的硬件和软件设计两个方面详细阐述了总体方案及其原理，并针对ＤＳＰ的同步串行接口，研究了其串口扩展方案，实现了ＤＳＰ与ＰＣ机间的串行通信。该方案具有很高的工程应用价值。关键词：数据采集；ＤＳＰ

中图分类号：ＴＰ２７３１文献标识码：Ｂ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＳＰ－ｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｐａ－ｐｅｒｅｘｐａｔｉａｔｅｓｏｎｃｏｌｌｅｃｔｉｖｉｔｙｓｃｈｅｍｅｆｒｏｍｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｓｅ－ｒｉａｌｐｏｒｔｏｆｔｈｅＤＳＰ．ＴｈｅｓｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＤＳＰａｎｄＰＣｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｓｃｈｅｍｅｈａｓｈｉｇｈｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ＤＳＰ

引言

现代工业生产和科学研究对数据采集的要求日益提高，在瞬态信号测量、图像处理等一些高速、高精度的测量中，信号的幅值和频率变化的速度是非常快的，如何将这些高速变化的模拟信号采集到计算机里进行处理便是一个需要解决的实际问题。将ＤＳＰ技术应用于高速数据采集，可以对远程采集到的数据进行实时处理，能够使采集的大量信号高速可靠地传递至主控计算机以作进一步的分析处理。

在上述应用背景下，本文设计了一种使用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０Ａ作为处理器，用高速Ａ／Ｄ转换芯片进行数据采集与处理，使用ＲＳ－２３２接口进行数据通信的远程数据采集卡。

如图１所示，整个采集系统由Ａ／Ｄ转换电路、ＤＳＰ处理部分、串口传输部分等组成。由于数据采集卡工作在恶劣的环境中，因此要求硬件电路在保证完成尽可能多工作的同时，使用尽可能少的器件，以保证采集板能够长时间稳定工作。

２系统硬件实现

２．１主处理器简介

随着数字信号处理器（ＤＳＰ）性能的提高和价格的下降，它在电子工业领域得到了越来越广泛的应用。本数据采集卡的核心处理器选用的是ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０Ａ。ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０Ａ（以下简称５４１０Ａ）是德州仪器公司（ＴＩ）推出的属于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４Ｘ系列的高性能而专门１６位定点数字信号处理芯片，是为实现低功耗、

设计的定点ＤＳＰ芯片，主要应用在通信、数据采集等系统中。该芯片采用ＣＭＯＳ制造工艺，属于第七代ＤＳＰ产品，它的工作频率可以根据需要进行调整。５４１０Ａ的运行速度可达１６０ＭＩＰＳ，它的内部有６４Ｋｘ１６ｂｉｔ的ＤＡＲＡＭ以及１６Ｋｘ１６ｂｉｔ的ＲＯＭ，丰富的资源配置为系统设计提供了极大的便利。该芯片支持单指令循环和块循环，支持３２位长操作数指令，支持两个或三个操作数读指令，支持并行存储和并行装入的指令，支持条件存储指令及中断快速返回指令。它的存储块移动指令提供了更好的程序和数据管理。它的片内外设包括软件可编程等待状态发生器，连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环（ＰＬＬ）发生器，一个

技术创新

１系统方案设计

作为一个使用ＤＳＰ芯片作为处理器的远程数据采集系统，不但要完成数据的采集工作，而且还要能够对数据进行实时处理，然后将数据传递至ＰＣ主机端。此远程数据采集系统需要完成的基本功能是：自动完成多路模拟信号的采集工作，将信号放大，滤波处理后数字化，经过短暂存储及初步处理，将数字化信号分组，传递至计算机，供分析软件进行数据分析。

１６ｂｉｔ定时器，六通道直接存储访问（ＤＭＡ）控制器，三个多通道缓

该芯片的各冲串口（ＭｃＢＳＰｓ）和一个８ｂｉｔ增强型主机接口（ＨＰＩ８）。

种性能指标完全能够满足本系统的要求。

由于５４１０Ａ芯片内部本身不带ＦＬＡＳＨ程序存储器，因此，

在采集板上要使用ＦＬＡＳＨ存储器来保存程序，本设计使用的芯片是ＳＳＴ３９ＶＦ４００Ａ。５４１０ＡＤＳＰ芯片内带１６Ｋ字节的ＲＡＭ，其中一部分用来运行程序，另外一部分可以用来存储临时数据，片内的ＲＡＭ存储器不能满足数据存储容量的要求，因此在采集板上还要扩充一部分ＳＲＡＭ。本采集卡上使用的ＳＲＡＭ芯片为

图１采集系统硬件框图

王洪梅：在读研究生

基金项目：重庆市科委自然科学基金（２００５０２０７）ＰＬＣ技术应用２００例》

ＣＹ７Ｃ１０２０。

：３６０元／年－

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基于DSP的多通道数据采集系统的设计与实现

ＤＳＰ开发与应用

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第１１－２期

２．２Ａ／Ｄ芯片及ＦＰＧＡ控制电路

Ａ／Ｄ转换电路使用ＭＡＸ１１８４模数转换芯片。ＭＡＸ１１８４是一款＋３Ｖ、双１０位模数转换器（ＡＤＣ），适合于那些低功耗、高动态性能的应用。本系统使用两片ＭＡＸ１１８４来完成对４路模拟信号的模数变换。ＭＡＸ１１８４的控制和时钟信号由ＦＰＧＡ提供。

由于多通道高速数据采集会产生巨大的数据流，一个４通道２０ＭＨｚ采样率１６位精度数据采集板并行采样０．１Ｓ将产生１６ＭＢ的数据量，而且还需要较多的片选信号，模块测试所占用的Ｉ／Ｏ口资源也比较多，用一般的芯片较难实现，而用ＦＰＧＡ则不但可

以较好地实现其功能，而且还可提高设计能力和设计效率。

技术创新

ＦＰＧＡ选用ＡＬＴＥＲＡ公司生产的ＥＰ１Ｋ５０，它的逻辑门数为

每个ＥＡＢ实际上是４Ｋ的５万门，内含１０个ＥＡＢ（嵌入阵列块）。

双口ＲＡＭ等。本系统应用ＥＡＢ构成ＲＡＭ，可以用来构造ＦＩＦＯ、

了四个２５６×１６ＢＩＴ的ＦＩＦＯ，因而可将四路Ａ／Ｄ转换结果分别送入四个ＦＩＦＯ，然后在ＦＰＧＡ的输出端将四个ＦＩＦＯ中的数据交替地送给ＤＳＰ，每个ＦＩＦＯ每次读出１２８个采样数据。Ａ／Ｄ转换器的输出为１０位数据，而ＦＰＧＡ的片内ＦＩＦＯ的数据字宽为１６位。在存储、传送时，将高６位补０即可。四路Ａ／Ｄ采样速度都为２０ＭＨｚ，这个速度对于ＥＰ１Ｋ５０都是完全可以达到的。另外ＤＳＰ芯片将Ａ／Ｄ转换器、ＦＩＦＯ、ＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ等器件都作为统一的外设，对每一外设进行地址编码。通过ＦＰＧＡ将ＤＳＰ的外

设操作信号转换为对具体芯片的控制信号，这样在程序的效率以及整体电路工作的协调性上都有了很大的提高。除了构造

ＦＩＦＯ以实现数据通道复用外，ＦＰＧＡ还可以作为协处理器由板上ＤＳＰ控制来进行一些简单高效的数据预处理（如插值、取平均、ＦＩＲ滤波等）。同时可使用ＥＤＡ工具ＱＵＡＲＴＵＳ５．０来对ＥＰ１Ｋ５０的逻辑算法进行设计、编译并仿真，然后下载到ＥＰ１Ｋ５０中实现预定功能。

２．３ＤＳＰ的异步串口扩展

综合考虑硬件连接和软件编程的方便性，ＤＳＰ与ＰＣ机的数据接口采用ＲＳ－２３２串口。与其他类型的接口相比，串行接口

的最大特点是减少了器件引脚数目，降低了接口设计复杂性。串行数据传输可分为同步和异步两种模式。通用ＰＣ机的ＲＳ－

为了２３２接口为通用异步接口，而ＤＳＰ芯片提供的是同步串口。利用ＤＳＰ的ＭｃＢＳＰ同步串行接口，在扩展适当硬件的情况下，

将同步数据变换为ＵＡＲＴ异步数据格式进行传输。这样可以充分利用ＤＳＰ的片上资源，从而使硬件系统尽量简单化。本系统应用美国ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ３１１１串行异步收发器，与ＤＳＰ的ＭｃＢＳＰ口直接连接。硬件上无需任何其它外围器件，同时由于异步数据的发送和接收由ＭＡＸ３１１１以硬件方式实现，所以软件编程需要考虑的也只是ＤＳＰ与ＭＡＸ３１１１之间的同步数据通信。这样，用最简单的硬件连接和软件编程就能实现同步到异步的串行数据格式转换。

ＭＡＸ３１１１通用异步收发器是ＭＡＸＩＭ公司专门为小型微处理系统进行最优化设计的ＵＡＲＴ。它包括一个振荡器和一个可编程波特率发生器；具有一个可屏蔽的中断源；另具有一个８字节的接收ＦＩＦＯ（先入先出）缓冲器。它应用ＳＰＩ／ＭＩＣＲＯＷＩＲＥ

接口技术直接与主控制器进行通信，线路简单、体积小，通信速率可达２３０ＫＢＩＴＳ／Ｓ。另外其内部除具有ＵＡＲＴ之外，还包括两个ＲＳ－２３２电平转换器，这样无需再接入普通的ＭＡＸ２３２进行电平转换，即可应用一个芯片实现微控器（具有ＳＰＩ／ＭＩ－ＣＲＯＷＩＲＥ接口）与ＰＣ机或其它设备之间的异步数据传输。

数据传输部分主要包括以下几部分：

－

（１）ＭｃＢＳＰ串口初始化

在本设计中应将５４１０Ａ的ＭｃＢＳＰ串行口配置为ＳＰＩ模式，以ＤＳＰ作为主设备。

（２）ＭＡＸ３１１１工作模式及波特率设置

在进行通信之前，ＤＳＰ必须首先根据命令序列格式向ＭＡＸ３１１１写入配置命令

字，之后才能进行正确的数据传输，如８位数据位、一位停

使能接收和发送中断的止位、无奇偶校验位、波特率为１１５２００、

异步数据传输。示例程序如下：

ＭｃＢＳＰ０＿ｉｎｉｔｉａｌｉｚｉｎｇ：ｓｔｍ＃０，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００１１０００００００００００ｂ，ｓｐｓｄ０；ｄｌｂ＝０，ｒｊｕｓｔ＝００，ｃｌｋｓｔｐ＝１１，ｄｘｅｎａ＝０，ｒｉｎｔｍ＝００

ｓｔｍ＃１，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００００００１００００００００ｂ，ｓｐｓｄ０；ｆｒｅｅ＝０，ｓｏｆｔ＝１，ｘｉｎｔｍ＝００ｓｔｍ＃２，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００００００００１００００００ｂ，ｓｐｓｄ０；１ｗｏｒｄ／ｆｒａｍｅａｎｄ１６ｂｉｔｓ／ｗｏｒｄｆｏｒｒｅｃｅｉｖｅ

ｓｔｍ＃３，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００００００００１０００００１ｂ，ｓｐｓｄ０；ｒｃｏｍｐａｎｄ＝００，ｒｆｉｇ＝０，ｒｄａｔｄ－ｌｙ＝０１

ｓｔｍ＃４，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００００００００１００００００ｂ，ｓｐｓｄ０；１ｗｏｒｄ／ｆｒａｍｅａｎｄ１６ｂｉｔｓ／ｗｏｒｄｆｏｒｔｒａｎｓｍｉｔ

ｓｔｍ＃５，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００００００００１０００００１ｂ，ｓｐｓｄ０；ｘｃｏｍｐａｎｄ＝００，ｘｆｉｇ＝０，ｘｄａｔｄ－ｌｙ＝０１

ｓｔｍ＃６，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃０００００００００００１１１０１ｂ，ｓｐｓｄ０；ｆｗｉｄｉｓｉｇｎｏｒｅｄ，ｃｌｋｇｄｖ＝１１１０１ｂ＝２９

ｓｔｍ＃７，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃００１０００００００００００００ｂ，ｓｐｓｄ０；ｃｌｋｓｍ＝１，ｆｓｇｍ＝０，ｆｐｅｒｉｓｉｇ－ｎｏｒｅｄ

ｓｔｍ＃０ｅｈ，ｓｐｓａ０

ｓｔｍ＃００００１１１１００００１１０１ｂ，ｓｐｓｄ０；ｆｓｘｍ＝１，ｃｌｋｘｍ＝１，ｆｓｘｐ＝１，ｃｌｋｘｐ＝０，ｃｌｋｒｐ＝１

（３）中断服务程序

在进行中断方式数据传输时，需要注意的是：虽然ＤＳＰ的ＭｃＢＳＰ有自身的发送和接收中断，但由于ＭｃＢＳＰ与ＭＡＸ３１１１之间的同步串行数据传输速率高于ＭＡＸ３１１１将数据以一定波特率（最高２３０ＫＢＰＳ）异步发送的速率，因此如果应用ＭｃＢＳＰ的发送中断，将造成发送数据的丢失。同时，在ＳＰＩ协议中，数据的传输是由ＳＰＩ主设备发起的，所以在ＳＰＩ方式下的ＭｃＢＳＰ并不能产生接收中断。因此，应用的关键之一是将ＭＡＸ３１１１的ＩＲＱ中断信号连接至ＤＳＰ的一外部中断，以实现中断方式下可靠、

正确的数据传输。

通过简单的硬件电路将同步接口转换为异步串行接口，充分利用了ＤＳＰ的在片硬件资源，很好地解决了ＤＳＰ的异步串口扩展问题。

３系统软件的设计

数据采集卡的实时系统控制软件采用模块化的设计方法，包括：ＤＳＰ初始化模块、采样控制、ＤＳＰ数据处理部分以及ＤＳＰ

现场总线技术应用２００例》

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基于DSP的多通道数据采集系统的设计与实现

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固化在采集板上的ＤＳＰ处理程序的程序主流程图如图２所示。

ＤＳＰ开发与应用

［１］ＴＭＳ３２０Ｃ５４ＤＳＰＣＰＵＡｎｄＰｅｒｉｐｈｅｒａｌｓＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｅｔ．ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｖｏｌ１，Ａｐｒｉｌ，２００１

［２］ＭＡＸＩＭ２００１ＮｅｗＲｅｌｅａｓｅＤａｔａＢｏｏｋ．ＭＡＸＩＭ，２００１

［３］沈兰荪．高速数据采集系统的原理与应用［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，１９９５．

［４］王文武．基于ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的并行数据采集系统的设计［Ｊ］微计算机信息，２００４，２０（１１）；６８－６９．

［５］杨志方．基于ＦＰＧＡ的多路高速数据采集系统的实现［Ｊ］．武汉化工学院学报，２００６，２８（３）；５８－６１．作者简介：王洪梅（１９７７年～），女，四川泸县人，１９９９年毕业于西

安通信学院，现为重庆大学通信工程学院在读研究生。主要研究方向为：信号与信息处理。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷａｎｇＨｏｎｇｍｅｉ，ｆｅｍａｉｌ，ｗａｓｂｏｒｎｉｎ１９７７，Ｌｕｘｉａｎ，Ｓｉｃｈｕａｎ．ＧｒａｄｕａｔｅｄｆｒｏｍＸｉａｎＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎ１９９９．Ｎｏｗｉｓｒｅａｄｉｎｇｔｈｅｇｒａｄｕａｔｅｓｔｕｄｅｎｔａｔｔｈｅｃｏｌｌｅｇｅｏｆｃｏｍ－ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇＱｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｓｉｇｎａｌａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．（４０００３０重庆重庆大学通信工程学院）王洪梅

通讯地址：（４０００３０重庆重庆大学通信工程学院主教２３１０室）王洪梅

（收稿日期：２００７．９．２３）（修稿日期：２００７．１０．１５）

图２程序主流程图

采集卡启动ＤＳＰ芯片首先通过ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ程序将存储在ＦＬＡＳＨ中的程序代码转移到ＲＡＭ中，高速运行程序。程序首先进行初始化，然后由ＤＳＰ本身完成对数据的自动采集，计算机并不参与采集的具体过程。采集后的数据暂时存储在

（上接第１９６页）

李铁才，唐降龙，佟喜峰．指纹识别系统的设计与实现［２］谢健阳，

［Ｊ］微计算机信息，２００６，８：１５６－１５７

［３］ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ．ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇＣＣｏｍｐｉｌｅｒＵｓｅｒ’ｓＧｕｉｄｅ［Ｒ］．１９９８

［４］张雄伟，曹铁勇．ＤＳＰ芯片的原理与开发应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０００

作者简介：苑玮琦（１９６０－），男，汉族，博士，教授，博士生导师，主要从事应用计算机视觉研究。张永辉（１９８１－），男，汉族，沈阳工业大学，硕士生，检测技术与自动化装置专业，研究方向为机器视觉。

技术创新

ＦＰＧＡ芯片内部的ＦＩＦＯ中，当采集到一定数量的一组数据，由ＤＳＰ芯片对数据根据需要进行处理。例如，对信号进行互相关、

自相关、压缩算法等分析计算。这样经过处理后的数据量大大减少，再上传给主机以减轻了传输压力和主机处理负担，从而避免了数据通讯瓶颈。经过处理获得的数据，ＤＳＰ芯片将其按照处理数据。ＤＳＰ程序使ＲＳ－２３２协议送至ＰＣ机，以进一步分析、

用与其配套的集成可视化开发环境ＣＣＳ（ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｔｉｄｉｏ）进行开发，编程语言使用Ｃ语言与汇编语言相结合的方法，程序整体使用Ｃ语言编写以提高程序开发周期。对于实时性要求强或有比较复杂算法的部分，为提高ＤＳＰ代码芯片的执行效率，使用汇编语言编写。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹｕａｎＷｅｉｑｉ（１９６０－），ｍａｌｅ（Ｈａｎ），ＬｉａｏＮｉｎｇｐｒｏｖｉｎｃｅ，ＳｈｅｎＹａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｏｃｔｏｒ，ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ｄｏｃｔｏｒｔｕｔｏｒ，ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａｉｓｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎａｎｄｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓ－ｉｎｇ．

（１１００２３沈阳沈阳工业大学）苑玮琦张永辉

通讯地址：（１１００２３沈阳沈阳工业大学５６２信箱）张永辉

（收稿日期：２００７．９．２３）（修稿日期：２００７．１０．１５）

４结束语

本文介绍了一种基于ＤＳＰ芯片、通过ＲＳ－２３２进行数据传递的数据采集系统方案。该方案在强大的ＤＳＰ处理器控制下利用高速Ａ／Ｄ芯片完成多路模拟信号的采集工作，采集后的数据可以进行实时处理与传输。该系统可以广泛应用于需要较高频率远程模拟信号的采集处理场合，将采集后的数据送至计算机进行分析处理，为后续工作提供了充足的数据基础。

本文作者创新点：本文提出了一种基于ＤＳＰ的多路数据采集卡的设计和实现方案，并针对ＤＳＰ与ＰＣ机间的串行通信要求，提出了一种ＤＳＰ的同步串行接口扩展方案。该方案具有很高的工程应用价值。

书讯

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：３６０元／年－

参考文献

ＰＬＣ技术应用２００例》

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w674.html