基于Matlab和VC混合編程的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

前言

在開發(fā)DSP數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的過程中．通常需要采用DSP匯編語言開發(fā)一些復(fù)雜的算法(如FFT分析、相關(guān)分析等)，但是，實(shí)現(xiàn)這些算法的程序一般都很復(fù)雜，尤其需要圖形顯示時(shí)，程序的編寫就更復(fù)雜了。此外，這些程序還將占用DSP的內(nèi)存資源。Matlab提供了矩陣處理、數(shù)值計(jì)算、圖形顯示等強(qiáng)大功能，同時(shí)還帶有功能豐富的軟件工具箱．若能把Matlab的高效、便捷算法和圖形顯示工具應(yīng)用于DSP數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)．即把采集到的數(shù)據(jù)上傳到Matlab平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的處理和圖形顯示．這樣．不僅減少了DSP的負(fù)荷和開銷．而且還可以加快系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Matlab平臺(tái)的DSP數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的主要功能是：在Matlab平臺(tái)上控制底層DSP目標(biāo)板進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，并把采集到的數(shù)據(jù)上傳到Matlab平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理和圖形顯示然后再把處理后的數(shù)據(jù)回傳給底層DSP目標(biāo)板，完成后續(xù)任務(wù)。

1．1硬件結(jié)構(gòu)

DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由PC計(jì)算機(jī)、TMS320C6202 DSP目標(biāo)板、AD16模塊、MOT模塊、數(shù)字I/O口和Timer模塊組成，如圖1所示。

①DSP目標(biāo)板選用ll(Innovative Integration)公司M6x系列的TMS320C6202開發(fā)板。DSP目標(biāo)板通過計(jì)算機(jī)主板上的PCI插槽裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，DSP程序通過JTAG進(jìn)行在線調(diào)試：DSP目標(biāo)板提供了許多動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)．可直接完成對(duì)目標(biāo)板的底層操作，如Target_Open()--打開目標(biāo)板驅(qū)動(dòng)、iicoffld()--下載程序列DSP中、Target_Close()--關(guān)閉目標(biāo)板驅(qū)動(dòng)等；

②AD16是Ⅱ公司的16通道16位的數(shù)據(jù)采集模塊．雙端差動(dòng)輸入，輸入范圍是-10V至+10V，可同時(shí)采集16路外部模擬信號(hào)，采樣頻率為5~195KHz；

圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

③MOT是一個(gè)集成有4個(gè)16位DA轉(zhuǎn)換器的信號(hào)產(chǎn)生模塊，DA輸出電壓范圍是-10V到+10V．可輸出4路測(cè)試需要的模擬信號(hào)．DA轉(zhuǎn)換頻率最高可達(dá)200KHz：

④數(shù)字I/O模塊是一個(gè)32位數(shù)字I/O連接端口。系統(tǒng)可以通過這個(gè)數(shù)字I/O接口與外界進(jìn)行數(shù)字通信：

⑤Timer模塊提供了三個(gè)外部定時(shí)器，其定時(shí)參考時(shí)鐘可以是DSP目標(biāo)板上的時(shí)鐘，也可以是外部提供的時(shí)鐘。其定時(shí)輸出信號(hào)可滿足系統(tǒng)測(cè)試的定時(shí)要求。

1．2軟件設(shè)計(jì)

圖2是DSP數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)模塊圖。其中：Matlab平臺(tái)主要完成對(duì)目標(biāo)板的操作和控制，處理DSP目標(biāo)板上傳的數(shù)據(jù)．再回傳給DSP目標(biāo)板，并進(jìn)行圖形顯示。

圖2系統(tǒng)的軟件模塊圖

visual C++平臺(tái)作為Matlab與底層DSP目標(biāo)板的連接中介，主要完成對(duì)DSP目標(biāo)板的具體操作。由于DSP目標(biāo)板自帶了對(duì)板卡進(jìn)行操作的動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)，因此在Vishal C++平臺(tái)中就可利用這些函數(shù)，完成對(duì)目標(biāo)板的一些控制和操作。例如：用戶界面(圖4)上的Open按鈕就是在Visual C++中利用Target_Open()函數(shù)完成目標(biāo)板驅(qū)動(dòng)的打開。

DSP數(shù)據(jù)采集和處理程序主要控制AD16采集外界模擬信號(hào)，并經(jīng)過相應(yīng)處理之后．上傳到Matlab平臺(tái)，然后再從Matlab平臺(tái)接收處理后的數(shù)據(jù)．控制MOT模塊輸出系統(tǒng)所需的模擬信號(hào)。完成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)處理一系統(tǒng)控制的全過程。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

Matlab作為高級(jí)應(yīng)用程序語言．并不能直接控制和操作所有的底層板卡。Matlab仿真模塊里面帶有一些可以直接控制和操作的DSP板卡．但是這些板卡都是一些固定型號(hào)的DSP板卡，而對(duì)用戶自行設(shè)計(jì)和其它一些型號(hào)的DSP板卡并沒提供這種功能．因此要實(shí)現(xiàn)在Matlab平臺(tái)上控制一般的DSP板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理還必須借助中介軟件．這個(gè)中介軟件就是Visual C++。這樣便可實(shí)現(xiàn)Matlab與DSP底層板卡的無縫連接。具體技術(shù)包括：DSP目標(biāo)板和主機(jī)的數(shù)據(jù)交換，Matlab與Visual C++的接口。

2．1 DSP目標(biāo)板和豐機(jī)的數(shù)據(jù)交換

TI公司提供DSP與PC主機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)RTDX(Real Time Data Exchange)協(xié)議．并在主機(jī)中提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)連接與嵌入應(yīng)用程序接口OLE API(Application Program Interface)．因而能方便地與符合OLE API標(biāo)準(zhǔn)的第三方軟件接口。實(shí)現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)交換。完整的RTDX協(xié)議包含4個(gè)部分：主機(jī)應(yīng)用程序、主機(jī)軟件庫、目標(biāo)機(jī)軟件庫和目標(biāo)機(jī)程序。圖3是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和DSP之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)系圖。

圖3 RTDX數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系

微軟公司(Microsoft)提供的Visual C++軟件開發(fā)環(huán)境封裝了，TI公司的RTDX協(xié)議，配合DSP程序可方便、實(shí)時(shí)地與Pc主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因此通過visual c++軟件就有可能實(shí)現(xiàn)在MATLAB平臺(tái)上完成對(duì)DSP數(shù)據(jù)采集和處理的控制。實(shí)現(xiàn)PC主機(jī)與DSP目標(biāo)板的數(shù)據(jù)交換。

PC主機(jī)和DSP目標(biāo)板通過RTDX協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換需要在PC主機(jī)程序和DSP程序中定義同名的一條RTDX通道，數(shù)據(jù)通過該通道在PC主機(jī)和DSP目標(biāo)板之間傳輸。PC主機(jī)程序和目標(biāo)板上的DSP程序需要嚴(yán)格的配合，PC主機(jī)的讀操作和DSP目標(biāo)板的寫操作通過定義一個(gè)“寫RTDX”通道實(shí)現(xiàn)：而PC主機(jī)的寫操作與DSP目標(biāo)板的讀操作通過定義一個(gè)“讀RTDX”通道實(shí)現(xiàn)．必須一一對(duì)應(yīng)，這樣才能實(shí)現(xiàn)主機(jī)與DSP目標(biāo)板的數(shù)據(jù)交換。

2．2 Matlab與Visual C++的接口

Matlab作為一種工具軟件．通常是不能直接控制DSP目標(biāo)板。但是Matlab軟件為了擴(kuò)充自身軟件的功能，提供了一種與其它開發(fā)工具或開發(fā)語言進(jìn)行交互的應(yīng)用程序接口 (API)。其中．MEX文件就是MATLAB軟件提供的一種與Visual c++溝通的接口文件。

在MEX文件中使用c語言編寫以mexFunction (int nlhs，mxArray *nlhs[ ]，int nrhs，const mxArray * plhs[ ])函數(shù)為主函數(shù)的動(dòng)態(tài)連接庫程序(*.dll)．然后只需在Matlab命令提示符下鍵入此MEX文件名(*.dll)即可完成調(diào)用．這與Matlab的內(nèi)建函數(shù)的調(diào)用方式完全相同。mexFunction函數(shù)中的參數(shù)說明如下：

①int nlhs是左邊輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)，即visual c++向Matlab傳遞的參數(shù)個(gè)數(shù)；

②mxArray *nlhs [ ]是左邊參數(shù)的數(shù)組。它是一個(gè)mxArray結(jié)構(gòu)體類型的指針數(shù)組．這個(gè)數(shù)組的元素按順序(nlhs[0]．nlhs[1]?)指向所有的輸出參數(shù)：

③int nrhs是右邊輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)，即Matlab向VisualC++傳遞的參數(shù)個(gè)數(shù)；

④const mxArray *plhs [ ]是右邊參數(shù)的數(shù)組，它是一個(gè)mxArray結(jié)構(gòu)體類型的指針數(shù)組，這個(gè)數(shù)組的元素按順序(plhs[0],plhs[1]??)指向所有的輸入?yún)?shù)。

在MEX文件中．利用DSP目標(biāo)板提供的動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)，編寫對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行操作的動(dòng)態(tài)連接庫程序．然后在Matlab平臺(tái)上調(diào)用這些動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)既町實(shí)現(xiàn)Matlab和底層DSP目標(biāo)板的無縫連接。

圖4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

具體過程是：在Matlab平臺(tái)上．以傳遞參數(shù)的形式調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫程序。把需要傳送給DSP目標(biāo)板處理的數(shù)據(jù)，通過mexFunction函數(shù)的右邊參數(shù)數(shù)組先傳送給動(dòng)態(tài)連接庫程序。然后通過Visual C++程序和DSP程序共同定義的“寫RTDX通道”把數(shù)據(jù)傳送給DSP目標(biāo)板：需要上傳到Matlab平臺(tái)的數(shù)據(jù)，首先被DSP應(yīng)用程序?qū)懭氲?ldquo;讀RTDX通道”中．然后在Visual C++中的動(dòng)態(tài)連接庫程序讀取該R31DX通道中的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過MexFunction函數(shù)的左邊參數(shù)數(shù)組把數(shù)據(jù)上傳到Matlab平臺(tái)。這樣．就實(shí)現(xiàn)了在Matlab平臺(tái)上控制和操作DSP目標(biāo)板，并與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖4是按照上述方法編寫的軟件界面和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試所得到的結(jié)果。

3 結(jié)束語

基于Matlab平臺(tái)的DSP數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，在Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和繪圖功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合了Visual c++易于實(shí)現(xiàn)操作和控制的性能。改善了Matlab在控制底層板卡方面的不足。該系統(tǒng)的研究不僅是把Matlab應(yīng)用于DSP數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的一次嘗試．也為一些半實(shí)物仿真系統(tǒng)提供了新的思路。Matlab/Simulink本身就是一種功能強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真工具，因此，如果能在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上把Matlat/Simulink的仿真功能添加上來。則可實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)的半實(shí)物仿真。相信Matlab豐富的函數(shù)庫和眾多的專業(yè)工具箱．必會(huì)為今后系統(tǒng)的完善以及擴(kuò)展提供充分的條件。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：通過在Matlab平臺(tái)上直接控制DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)．把Matlab的優(yōu)良算法應(yīng)用于系統(tǒng)中。簡化了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程。提高了，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，具有廣泛的應(yīng)用前景。