一種12位雙通道高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，超高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、通訊、圖像、軍工以及醫(yī)療化工等領(lǐng)域。本文介紹的是一種基于12位閃爍式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9224、大容量FIFO芯片UPD42280及高性能浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器TMS320C32的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對兩路信號同時(shí)采樣，存入FIFO緩存器后再按需要由DSP控制進(jìn)行分時(shí)處理。由于緩存的容量較大(256K字節(jié))，因此在高達(dá)33.3MHz的頻率下仍允許對信號連續(xù)采樣幾周波，以保持采樣的高度連續(xù)。其硬件原理框圖如圖1所示。 

 

 

1 高速A/D數(shù)據(jù)采集 

　　A/D變換器選用了AD公司的AD9224。圖2為其管腳圖，說明如下: 

　　1(CLK)              時(shí)鐘輸入 

　　2(BIT12)            數(shù)據(jù)輸出最低位LSB 

　　3～12(BIT11～BIT2)  數(shù)據(jù)輸出 

　　13(BIT1)            數(shù)據(jù)輸出最高位MSB  

　　14(OTR)             數(shù)據(jù)溢出標(biāo)志位 

　　15、26(AVDD)        +5V模擬電源 

　　16、25(AVSS)        模擬地 

　　17(SENSE)           參考選擇 

　　18(VREF)            輸入?yún)⒖歼x擇 

　　19(REFCOM)          通用參考(AVSS)     

　　20、21(CAPB、CAPT)  減噪管腳 

　　22(CML)             共模方式 

　　23(VINA)            模擬輸入(+) 

　　24(VINB)            模擬輸入(-) 

　　27(DRVSS)           數(shù)字地 

　　28(DRVDD)           數(shù)字電源 

 

 

　　AD9224是一種高性能、單電源+5V、最高采樣頻率為40MSPS的12位ADC。在本設(shè)計(jì)中，由于FIFO讀寫時(shí)間的限制，A/D采樣頻率最高做到了33.3MHz。AD9224采用CMOS工藝制造，內(nèi)部集成了基準(zhǔn)電壓源、寬帶輸入采樣保持放大器等，并且采用四級流水線式結(jié)構(gòu)，前三級每級包括一個(gè)連接到開關(guān)電容器DAC、級間剩余放大器MDAC的閃爍式A/D，第四級只包括閃爍式A/D。閃爍式A/D是目前轉(zhuǎn)換速率最快的ADC。AD9224采用多級流水線結(jié)構(gòu)對輸出錯(cuò)誤進(jìn)行邏輯糾正，以保證在整個(gè)工作范圍內(nèi)不失碼，其數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式輸出，并帶有信號溢出指示位。AD9224在+5V電源下功耗較低，為376mW。其微分非線性誤差為0.7LSB，信噪比和失真率為67.5dB。

　　AD9224的輸入可以是單端或差分方式。本設(shè)計(jì)采用的是交流耦合單端輸入方式。信號經(jīng)過由放大器AD9631和并聯(lián)電容組成的電路后被偏置為關(guān)于AVDD/2(2.5V)對稱的正弦波，C1和C2由0.1μF的陶瓷電容和10μF的鉭電容并聯(lián)，電容和電阻共同組成了一個(gè)高通濾波器。圖3所示為A/D部分的電路設(shè)計(jì)圖。 

 

 

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2 數(shù)據(jù)緩存  

　　A/D采樣一點(diǎn)轉(zhuǎn)換一點(diǎn)。由于本系統(tǒng)的采樣速度高達(dá)幾十MSPS，如果存儲控制系統(tǒng)不能及時(shí)接收數(shù)據(jù)的話，則上次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)馬上就被下一個(gè)數(shù)據(jù)所覆蓋，很容易造成數(shù)據(jù)混亂。一般常用的DMA控制器所能達(dá)到的傳輸速率約為5Mb/s，即使是高性能的DSP芯片TMS320C32，其自帶的DMA通道所允許的A/D最高采樣速度也只達(dá)到15MSPS，并且受指令執(zhí)行時(shí)間的限制，依然不能直接接受A/D數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，因此必須采用高速緩存。目前常用的緩存多為FIFO(先入先出)、SRAM、及雙口RAM等。雙口RAM和SRAM一般存儲量較大，但必須用到復(fù)雜的地址發(fā)生器。FIFO芯片數(shù)據(jù)順序進(jìn)出，且輸入輸出口獨(dú)立，在電路設(shè)計(jì)上相對簡單得多，但由于數(shù)據(jù)不能按址查詢，而是遵循先入先出的原則輸出，在軟件處理上要復(fù)雜一些。FIFO一般價(jià)格較貴，且存儲量不大。本設(shè)計(jì)所采用的FIFO是NEC公司生產(chǎn)的UPD42280，其容量為8位256K(實(shí)際是262224)字節(jié)，數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間為30ns，是一種比較理想的FIFO芯片。該芯片內(nèi)部采用動(dòng)態(tài)RAM結(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)刷新，當(dāng)讀寫完最后一個(gè)存儲單元后，又會(huì)自動(dòng)回到第一個(gè)存儲單元。由于A/D有13條數(shù)據(jù)線(包括OTR位)，所以每路用了兩片F(xiàn)IFO來接收數(shù)據(jù)。 

3 DSP主處理器及控制電路 

　　主處理器采用的是TI公司生產(chǎn)的TMS320C32PCM40。它是一種高性能的32位浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器，內(nèi)部包括通用寄存器組、程序高速緩沖存儲器、專用輔助寄存器單元(ARAU)、兩個(gè)存儲器、兩個(gè)DMA通道。DSP所具有的高存儲空間(32位/16M)、多處理器接口、內(nèi)部及外部產(chǎn)生的等待狀態(tài)、一個(gè)外部接口端口、兩個(gè)32位定時(shí)器、一個(gè)串行口以及多重中斷結(jié)構(gòu)等，使其應(yīng)用得到了很大的加強(qiáng)。 

　　為了加快數(shù)據(jù)流的傳輸，克服瓶頸問題，DSP內(nèi)部采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)(指令和數(shù)據(jù)有各自的存儲空間，尋址或存取數(shù)據(jù)、指令有各自的傳輸總線)而不是通用處理器采用的馮諾依曼結(jié)構(gòu)(指令和數(shù)據(jù)使用同一存儲空間，經(jīng)由同一總線傳輸);為了進(jìn)一步加快數(shù)據(jù)流的傳輸，DSP還采用了提高處理器的時(shí)鐘速度以及先進(jìn)的處理方法(如流水線處理和并行處理)。這些都使得DSP的各項(xiàng)運(yùn)算和處理能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。DSP處理器的運(yùn)算/處理功能單元主要包括乘法器/乘加器(MAC)、算術(shù)運(yùn)算單元(ALU)、移位器、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器(DAG)。 

　　TMS320C32能與8/16/32位數(shù)據(jù)存儲器接口，并且可以進(jìn)行8/16/32位程序引導(dǎo)，程序存儲器可以是16位或32位。它支持廣泛的系統(tǒng)尋址方式，實(shí)際上屬于間接尋址，是一種高效有用的尋址方式。另外，在尋址方式中TMS320C3X提供了一種循環(huán)尋址方式，可以在單周期內(nèi)對整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行并行的乘法和算術(shù)邏輯單元(ALU)操作。圖4為本設(shè)計(jì)中一路FIFO與DSP的控制電路。 

 

 

　　本設(shè)計(jì)中由于A/D有13條數(shù)據(jù)線(包括OTR位)，所以每路用了兩片F(xiàn)IFO來接收數(shù)據(jù)。兩片F(xiàn)IFO的/WE管腳都連接到上路JK觸發(fā)器J1的/Q管腳上，以便由DSP控制使其同時(shí)接收數(shù)據(jù)。FIFO的讀片選管腳/OE與讀復(fù)位管腳/RST接下路JK觸發(fā)器J2的/Q端，另一路接Q端以控制上下路選擇，F(xiàn)IFO的讀時(shí)鐘由DSP的定時(shí)器TCLK0給出。 

　　系統(tǒng)工作過程如下: 

　　上電后，AD9224加上時(shí)鐘信號即開始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。寫數(shù)據(jù)時(shí)，DSP經(jīng)過譯碼電路首先使/Y0輸出為低，則兩片F(xiàn)IFO的/WRST為低電平，F(xiàn)IFO的寫指針位于0地址處;同時(shí)J1被預(yù)置，使/WE為低，兩片F(xiàn)IFO從0地址開始同步接收A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。由于FIFO沒有存儲器寫滿標(biāo)志，A/D沒有控制轉(zhuǎn)換起止標(biāo)志，因此只能通過軟件控制，由DSP延時(shí)t(t為FIFO開始轉(zhuǎn)換到寫滿的時(shí)間)后，寫74LS138使/Y1為低，J1發(fā)生翻轉(zhuǎn)，/WE變?yōu)楦?，寫操作被禁止。讀數(shù)據(jù)時(shí)，在DSP控制下使/Y2為低，J2被置位，/Q為低，上路FIFO的/RST和/OE同時(shí)變低，讀指針處于0地址處并允許DSP對其進(jìn)行讀操作。讀數(shù)據(jù)是通過對R/、/IOSTRB的共同操作完成的。DSP在處理完該路數(shù)據(jù)之后，再次寫譯碼器使/Y3為低，J2翻轉(zhuǎn)，/Q為高，上路FIFO的訪問被禁止;同時(shí)，Q變低，允許讀取下路FIFO的數(shù)據(jù)。 

　　由于FIFO的讀寫時(shí)間所限，本設(shè)計(jì)的采樣時(shí)鐘沒有做到40MHz，而是采用了最高33.3MHz的時(shí)鐘。時(shí)鐘信號由66.6MHz的晶振振蕩器經(jīng)過分頻后分別接到A/D的CLK端和FIFO的WCK端，以便使FIFO和AD9224采用同一時(shí)鐘源，保持時(shí)序的嚴(yán)格同步。 

　　本設(shè)計(jì)為通用系統(tǒng)。采用高性能的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9224進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)精度較高。盡管由于FIFO的讀取時(shí)間所限，最高采樣頻率只做到了33.3MHz，但是由于FIFO的容量較大，因此可以連續(xù)不間斷地采樣256k個(gè)點(diǎn)。這對于要求高速連續(xù)采樣的系統(tǒng)是非常適用的，而且省去了大容量的RAM，在一定程度上節(jié)省了硬件開支。