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1、4 3 6 82 0 1 0，3 1(2 0)计算机工程与设计C o m p u t e r E n g i n e e r i n ga n d D e s i g n嵌入式系统工程基于D S P 的多路数据采集系统的设计与实现陆广平1，卜迎春2(1 盐城5-学院电气工程学院，江苏盐城2 2 4 0 5 1；2 盐城工学院基建处，江苏盐城2 2 4 0 5 1)摘要：根据设计要求提出系统总体设计方案，系统采用高速A D 转换器和D S P 芯片，设计出多路数据采集系统的硬件电路，结合相关的软件，对采集的数据处理后用C C S 5 0 0 0 在计算机上实时显示数据处理后的多通道波形图。实验结
2、果表明，该系统工作稳定，实现了对不同采集信号的实时处理，根据输出要求的不同设计对应的程序，因此可以在工业生产过程中使用该系统。关键词：数字信号处理器；数据采集系统；模数转换芯片；实时数据处理；闪存中图法分类号：T P 3 6文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-7 0 2 4(2 0 L O)2 0-4 3 6 8 0 4D e s i g na n dr e a l i z a t i o no fm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nD S PL UG u a n g-p i n
3、 9 1，B UY i n g-c h u n 2(1 S c h o o lo f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，Y a n c h e n gI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y,Y a n e h e n g2 2 4 0 5 1，C h i n a；2 D e p a r t m e n to f I n f r a s t r u c t u r eC o n s t r u c t i o n,Y a n c h e n gI n s t i t u t eo f T e c h n o
4、 l o g y,Y a n c h e n g2 2 4 0 5 1，C h i n a)A b s t r a c t：T o t a ld e s i g na p p r o a c ho fs y s t e mi sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt od e s i g nr e q u e s t,t h es y s t e ma d o p t sh i g hs p e e dA Ds w i s ha n dD S Pc h i p，t h eh a r d w a r ec i r c u i to f m u l t i-c h
5、 a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ni sd e s i g n e d,c o r r e l a t i v es o f t w a r ei su s e d T h er e a lt i m em u l t i c h a n n e lw a v e f o r mi sd i s p l a y e do nt h ec o m p u t e rt h r o u g hC C S 5 0 0 0s o f t w a r e T h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i ss y s t
6、 e mw o r k ss t e a d i l y,d i f f e r e n tt y p e so ft h ea c q u i s i t i o ns i g n a l si sp r o c e s s e dr e a lt i m e，c o r r e l a t i v ep r o g r a mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt od i f f e r e n to u t p u tr e q u e s t s，o fc o u r s et h i ss y s t e mC a nb eu s e di nt
7、h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s K e yw o r d s：D S P；d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m；A Dc h i p；r e a lt i m ed a t ap r o c e s s i n g；f l a s h0 引言1 系统方案概述数据采集系统首要任务是将传感器采集到的信号调理后进行模数转换，而数据采集是获取信息的重要手段，在生产过程、科学研究等领域中发挥着及其重要的作用，由于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
8、一些高速、高精度的测量中，信号的幅值和频率非常快，如何将这些高速变化的模拟信号采集到计算机中是迫切需要解决的实际问题，高速多通道A D 转换芯片的出现，为高速数据采集提供了有力的基础。采集后的信号用数字信号处理器D S P(d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g)处理，D S P 是利用专用处理器或计算机，以数字的形式对信号进行采样、变换、滤波、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们要求的信号形式，数字信号处理器D S P 的飞速发展，为数字信号处理的研究与应用打开了新局面“。本文采用高性能的A D 转换芯片和T M S 3 2 0 V C 5
9、 4 1 6 设计数据采集系统，对各种输入信号进行采集，采集后的数据只要根据要求修改相对应的计算机处理程序，处理后的输出数据经过D A 转换后用以控制实际的工业现场。1 1 设计要求设计出数字信号处理系统，然后在D S P 系统上实现多路数据采集。设计应满足以下要求：(1)A D 采样电路：完成对四路模拟信号的采样；(2)D S P 系统：对采样后数据根据要求对信号处理后，在计算机上实时显示波形。1 2 采集方案设计A D S 7 8 6 4 Y 是T I 公司的一种5 0 0 K、1 2 位、6 通道模数转换芯片。每通道信号可采用差分方式输入。由于A D S 7 8 6 4 Y 的6 个通道
10、转换是分成3 路完成的，在每个转换周期可选择启动2、4、6 个通道，选择的方法是在地址的相应位上置低电平，地址的最低位(第0 位)控制A 路，次低位(第1 位)控制B 位，第2 位控制C 路，系统设置采集B，、B l+、c,-、c，+四路信号，所以地址上输出内容为0 1 H。四路模拟信号通过放大器T L C 2 2 7 4 后分别进入A D S 7 8 6 4 Y的B o 一、B。+、C o、C。+这4 个通道进行同步转换，经过低电压收稿日期：2 0 0 9 1 1 0 9；修订日期：2 0 1 0-0 1 0 9。基金项目：盐城工学院自然科学基金项目(X K Y 2 0 0 9 0 8 5)
11、。作者简介：陆广平(1 9 7 4-)，女，江苏盐城人，硕士，讲师，研究方向为D S P 采集数字信号进行处理和计算机测量控制；卜迎春(1 9 7 3 一)，男，江苏盐城人，工程师，研究方向为智能楼宇控制自动化、单片机控制系统设计E m a i l：l g p _ b y e 1 2 6 g o r e万方数据陆广平，卜迎春：基于D S P 的多路数据采集系统的设计与实现2 0 1 0，3 1(2 0)4 3 6 91 6 位收发器带三态输出的芯片7 4 L V T H l 6 2 4 5 后进入D S P芯片进行处理，通过C C S 集成开发环境来显示采集后的数据结果。1 3 部分器件的选择
12、1 3 17 4 L V T H l 6 2 4 5 的选择7 4 L V T H l 6 2 4 5 是带三态输出的低电压1 6 位收发器芯片，其包含1 6 个带3 态输出的非反相双向缓冲器，主要是总线型的应用。该器件是字节控制，每个字节可以单独控制输入，这样能够被缩短为全1 6 位操作。低输入端确定数据流通过芯片的方向，通过置于高阻抗状态可禁用A 和B 端口，7 4 L V T H l 6 2 4 5 数据输入包括总线保持，无需外部上拉电阻来保持未使用的输入端口。7 4 L V T H l 6 2 4 5 具有如下特性：输入和输出接口5 V 供电；保持数据输入端口无需外部上拉电阻来保持未使
13、用的输入端口；实时插入允许提取；电源上下高阻抗提供无故障总线加载；闭锁性能超过5 0 0 毫安。1 3 2T L C 2 2 7 4 的选择T L C 2 2 7 4 是德州仪器公司制造，具有R a i l-t o-R a i l 输出能力的高性能四运算放大器，它比目前常用的C M O S 运放有更好的噪声、功耗和输入失调电压性能。T L C 2 2 7 4 所具有的低噪声和高输入阻抗非常适宜用于诸如电压电流传感器之类的小信号的计算、放大，而且它的最低工作电压可以低至正负2 2 V。由于T L C 2 2 7 4 是R a i l-t o-R a i l 输出的，所以我们可以直接用系统的3 3
14、 v 为其提供工作电压V e c，而V d d 处可以直接接地。1 3 3A M 2 9 L V 8 0 0 的选择A M 2 9 L V 8 0 0 是一个8 兆位，单3 0 V 电压供电的闪存，理论设置每8 位1 兆字节或每1 6 位5 1 2 K 字。采用灵活的擦除和计划能力，8 兆位的数据分成1 9 个单元：1 个1 6 K 字节单元，2 个8 K 字节单元，1 个3 2 K 字节单元和1 5 个6 4 K 字节单元。x 8 的数据显示在D Q r D Q，；x 1 6 的数据显示在D Q o D Q。器件的设计是具有标准体系3,0 V 供电的在系统可编程。器件也可以在标准可擦写可编程
15、只读存储器重新编程，A M 2 9 L V 8 0 0 提供两个级别的性能。第一级提供快速存取时间为l O O n s 的电源电压范围低至2 7 伏，这是最适合电池供电应用的。第二个层次提供了一个9 0 n s 存取时间，优化系统性能在电力供应上的调节范围3 0 至3 6 伏特。为了消除总线竞争，该器件有不同的芯片使能(-)，写使能丽)和输出使能(砷控制。2 多路数据采集的硬件设计2 1 数据采集相关知识的介绍数据采集是模拟信号数字化处理的第一个环节，采集后的信号经幅度量化编码得到数字信号叫，通过计算机进行相应的数据处理和计算，在计算上可以显示处理后的数据或结果，用以实现对某些物理量的监控，或
16、将数据用于工业生产现场的过程控制。在进行数据采集时，模拟信号变成数字信号是通过抽样来完成的，一个连续的模拟信号x(t)，通过一个周期为T，开关闭合时间为f 的抽样器后，在输出端得到时间上离散的脉冲信号x(n T)的过程称为抽样过程，如图l 所示。2 2H P I 数据引脚配置为通用目标I 0 引脚的介绍本系统设计没有用可编程逻辑控制器分配地址，通过将H P I 的8 位双向数据总线配置为通用目标I o(G P l O)引脚，硬X(n醴酽K(8)模拟信号(”抽样开关(c)离数脉冲信号图1 抽样过程件设计简单方便，这一特征只能在禁止H P I 时才有效，复位时H P I E N A 引脚驱动为低电
17、平时禁止H P I。两个存储器映射寄存器可以用来控制H P I 数据引脚的G P I O 功能，它们分别是通用目标I o 控制寄存器(G P I O C R)和通用目标I O 状态寄存器(G P I O S R)。G P I O C R 的方向位(D I 凡)用于配置H D 广H D，为输入或输出。只有具有两个片内定时器的D S P 芯片才有定时器l输出位(T o U T。)，并且该输出位可以是定时器l 输出到H I N T引脚。当肿I 被使能时，T O U T。位和D I 位强制为0，并且D 棚D，被配置为输入。G P I O 引脚(H D。，n=o-7)的状态可以使用通用目标I O 状态寄
18、存器(G P I O S R)的各位来监测。当l i D 引脚配置为输入时，可读取G P I O S R 的相应位来确定该引脚检测到的逻辑值。类似地，当H D。配置为输出时，该引脚所驱动的逻辑值写到G P I O S R 的相应位。2 3 多路数据采集系统硬件电路设计利用T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 实现多路数据采集的硬件电路如图2 所示睇l，图2 中A M 2 9 L V 8 0 0 以及7 4 L V T H l 6 2 4 5 的数据线D 旷D，直接与T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的数据线D 旷D。，相连；m 舵9 L v 8 0 0的地址线A 旷A。
19、直接与T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的地址线A r-A。相连；A D S 7 8 6 4 Y 的通道选择线接T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的A 钆。R W 是T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的外部设备读写控制线，它用来对外部存储器及数据进行读写操作。将T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的H P I E N A 接地使H P I 功能被禁止，此时1 4 _ D r H D，为可编程的通用I O，复位时，D S P 采样H P I E N A 以决定H P I 是否使能。利用T M$3 2 0 V C 5 4 1 6 的H D c-
20、H D，来控制A M 2 9 L V 8 0 0、A D S 7 8 6 4 Y 的片选信号以及选通7 4 L V T H l 6 2 4 5 的O E，、O E 2、T R、T 信号。T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的握手信号X F 与A D S 7 8 6 4 Y 的曰吩y 相连。刑S 3 2 0 V C 5 4 1 6 采用双电源供电，内核电源是1 6 V，接口电源是3 3 V，所以与T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 连接的器件最好选用供电电源为3 3 V 的器件州。7 4 L V T H l 6 2 4 5 就是一款3 3 V 供电的器件，因而大大简化了硬
21、件接口电路的连接。T L C 2 2 7 4 的l 矾+、2 I N+、3 矾+、4 I N+分别作为四路模拟信号的输入端A I N，、A 玳、A I N、A I N：，四路模拟信号经过放大后从1 0 U T、2 0 U T、3 0 U T、4 0 U T 输出后分别进入A D S 7 8 6 4 Y 的B,-、B I+、c，、c I+，当西管脚为低时对此四路模拟信号进行同步模数转换，转换结束后当丽、面为低电平时1 6 位数据D B o,-D B，进入收发器7 4 L V T H i 6 2 4 5 的B 广B-，然后从山叫，s 进入T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的D 厂D，
22、进行数据处理。数据被临时存放在D R A M 的从2 0 0 0 h 开始的地址单元中，处理结束后数据被存放在D R A M 的从4 0 0 0 h 开始的地址单元中。通过C C S 开发环境可以在计算机上显示四路波形信号。A D S 7 8 6 4 Y 的C L O C K 管脚接入一个缸=8 M H z 的有源晶振，其f 如m=5 0 0 k H z。1 M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 的X t、X 2 管脚之间接入一个1 6 M H z 的晶振使D S P 芯片的内部振荡器工作，同时将虢融T_万方数据4 3 7 02 0 1 0，3 1(2 0)计算机工程与设计C o m p
23、 u t e rE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n图2T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 多路数据采集电路连接T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 芯片的C L K M D。、C L K M D：、C L K M D，通过1 0 K q 的电阻接3 3 V 电压，使内部振荡器的频率除以2。另外，为T M S 3 2 0 V C 5 4 1 6 外接了一个8 M 的存储器，以防止D S P 芯片实时处理大量的数据时其内部存储空间不够。3 多路数据采集系统软件设计3 1 定时器的设置片内定时器是一个可编程的定时器“1，它由3 个寄存器组
24、成，分别为T I M(定时器寄存器)、P R D(定时器周期寄存器)和T C R(定时器控制寄存器)。片内定时器是软件可编程的，用于周期性地产生中断和周期输出，T I N T(定时器中断)频率可由公式(1)计算1，T N T,2 磊丽觅丽可l 可丽瓦可【1)式中：b c 广P U 时钟周期，P R D 一定时器周期值，T D D R 定时器分频系数。3 2 数据采集系统程序设计A D 转换相对于计算机来说是一个较为缓慢的过程。一般采用中断方式启动转换或保存结果，这样在C P U 忙于其它工作时可以少占用处理时间。设计转换程序应首先考虑处理过程如何与A D 转换的时间相匹配，根据实际需要选择适当
25、的触发转换的手段，也要能及时保存结果。由于A D S 7 8 6 4 Y 芯片内的A D 转换精度是1 2 位的，转换结果的低1 2 位为所需的数据值，所以在保留时应将结果的高4 位去除，取出低1 2 位有效数字。系统程序采用中断程序设计，定时器设置采样时间为1 5 6 2 5 K H z(6 4 微妙)，采样通道设置为B，、B l+、C o-、C I+。系统的程序流程图如图3 所示。由于系统的时钟频率为8 M H z，根据定时器的公式L=时钟周期x(T D D R+I)x(P R D+I)。选择合适的参数得出采样周期：疋2 丽l 2 x 2 5 6=6 4 u s D S P 复位A D S
26、 7 8 6 4 Y 初始化关闭可屏蔽中断设置处理方式状态寄存器(P M S T)开定时器0 中断(I M R=0 x 8)二二初始化定时器!I!一停止定时器工作(T C R=0 x 4 11)装入P R D 的初值(P R D f f i O x l 0 0)重新装入T C R，以初始化T D D R 和启动定时器(T C R=0 x 4 2 1)清除以前的定时器中断(I F R=0 x 1 0 0)选择转换通道A D S E L=0 1H(B 0-、B I+、C O-、C l+四路同时转换)开中断，进行转换图3 系统程序流程从F I F O 中读取转换结果去掉高4 位取低4 位有效值保存结
27、果送转换信号(A DH O L D=0)显示波形即定时器设置采样时间为1 5 6 5 2 5 K H z(6 4 u s)。转换数据的保存区，从数据区4 0 0 0 H 开始保存四路通道转换后的结果，如图4(a)所示，通过C C S 5 0 0 0 的开发界面，在计算机上可实时显示四路数据采集后的波形，由于四路信号源的电压范围是0 3 3 V，而A D 电压转换范围为O S V，对于图4(a)的三角波信号由于其大部分在X 轴的上方，峰值分别为1 9 3 l、-3 5 1。所以，只需将三角波波形向下移7 5 5(0 x 2 F 3)l l【I可使波形关于X 轴对称，对于图4(a)的正弦波信号由于
28、其大部分在x 轴的下方，峰值分别为3 6 4、一1 8 8 0。所以，只需将正弦波波形向上移7 5 8(0 x 2 F 6)即可使波形关于X 轴对称，处理后的对应波形如图4(b)所示，所以只是将转换结果简单处理使图形完全对称。如果将输入的正弦信号加高频干扰信号，设计合适的F I R低通滤波器，系统采集处理后通过算法可以将高频信号滤除；如果将输入的高频信号加低频干扰信号，设计合适的F I R 高万方数据陆广平，卜迎春：基于D S P 的多路数据采集系统的设计与实现2 0 1 0，3 1(2 0)4 3 7 1图4 实时处理前后的波形通滤波器，系统同样可以加低频的信号滤除，如图5 所示。通过图5
29、可看出输入的信号通过设计好的硬件电路，只要将采集到的数据经过相对应的处理程序，就可以得到处理后所需的波形，从时域上看，原始波形上的不规则毛刺得到了平滑，从频域上看低通滤波滤除了高频部分，高通滤波滤除了低频部分，系统硬件实现比较简单，只需根据要求编制不同的软件就可以实现采集处理的波形。4 结束语本文提出了基于D S P 的多路数据采集系统，根据设计要求合理选择D S P 和A D 芯片，详细地介绍了数据采集系统的软硬件设计方法，利用D S P 芯片内部的数字接口，将D S P 技术应用于高速数据采集，对四路模拟信号同时采集，采集后的信号进行实时处理，将采集到的大量信号高速可靠地传给主控计算机以作
30、进一步的分析处理，然后在计算机上实时显示四路数据处理前后的数据和波形，系统采用高速A D 芯片提高了系统的高速数据的实时采集和实时数据处理的能力。图5 输入信号波形和数据采集处理后输出波形的对比参考文献：1】张雄伟，陈亮，徐光辉D S P 芯片的原理与开发应用【M】北京：电子工业出版社。2 0 0 3 汪春梅T M S 3 2 0 C 5 0 0 0 系列D S P 系统设计与开发实例【M】北京：电子工业出版社，2 0 0 4 马俊，陈学煌基于D S P 的多路数据采集系统设计f J】电子技术应用，2 0 0 7，3 3(1 2)：7 8 8 1 季小林，高晓蓉基于T M S 3 2 0 F
31、2 8 1 2 的数据采集系统 J】微计算机信息，2 0 0 7，2 3(8)：1 6 9-1 7 1 王洪梅基于D S P 的多通道数据采集系统的设计与实现【J】微计算机信息，2 0 0 7，2 3(1 1)：1 8 5 1 8 7 陈阳基于D S P 的多路数据采集系统设计【D】武汉：武汉理工大学，2 0 0 6 刘洋，铁勇，李树华基于T M S 3 2 0 V C 5 4 1 0 的双路声信号数据采集系统的设计【J】内蒙古大学学报(自然科学版堙0 0 6 3 7(6)：6 7 2-6 7 5 李利D S P 原理及应用【M】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 6(上接第4 3 6 4
32、页)【2】孙玉亮，王树昆，张传升基于S O P C 的智能家居控制系统研究【J】现代电子技术，2 0 0 8(2 2)：3 6 3 7【3】李现勇V i s u a l C+口通信技术与工程实践 M】北京：人民邮电出版社，2 0 0 2【4】李芳数控系统中嵌入式P L C 虚拟机的研究与开发【D】北京工业大学，2 0 0 5 5】张小亮，陈有东，魏洪兴，等基于C o s 1 1 的软P L C 研究与实现 J】液压与机床，2 0 0 8(5)：6 8 6】J a e H oL e e，H e u n g N a mK i m I m p l e m e n t i n gp r i o r i
33、 t yi n-h e r i t a n c es e m a p h o r eO n C O Sr e a l-t i m ek e r n e l J】S o f t w a r eE e h n o l o g i e sf o rF u t u r eE m b e d d e dS y s t e m s，2 0 0 3(5)：8 3 8 6【7】高金刚，陈建春数控系统的软P L C 系统开发【J】计算机测量与控制，2 0 0 4(3)：2 5 4-2 5 6【8】赵宏玢，于东，李毅霞，等基于R T L i n u x 的软P L C 系统设计与实现【J】小型微型计算机系统，2
34、0 0 7(3)：4 7 0-4 7 3 脚旧吲旧m嗍万方数据基于DSP的多路数据采集系统的设计与实现基于DSP的多路数据采集系统的设计与实现作者：陆广平，卜迎春，LU Guang-ping，BU Ying-chun作者单位：陆广平,LU Guang-ping(盐城工学院,电气工程学院,江苏,盐城,224051)，卜迎春,BU Ying-chun(盐城工学院,基建处,江苏,盐城,224051)刊名：计算机工程与设计英文刊名：COMPUTER ENGINEERING AND DESIGN年，卷(期)：2010,31(20)参考文献(8条)参考文献(8条)1.张雄伟.陈亮.徐光辉 DSP芯片的原理与开发应用 20032.汪春梅 TMS320C5000系列DSP系统设计与开发实例 20043.马俊.陈学煌 基于DSP的多路数据采集系统设计 2007(12)4.季小林.高晓蓉 基于TMS320F2812的数据采集系统 2007(23)5.王洪梅 基于DSP的多通道数据采集系统的设计与实现 2007(32)6.陈阳 基于DSP的多路数据采集系统设计 20067.刘洋.铁勇.李树华 基于TMS320VC5410的双路声信号数据采集系统的设计 2006(6)8.李利 DSP原理及应用 2006 本文链接：http:/