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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