基于DSP 的高速信號采集系統(tǒng)設計

   1 引言

數(shù)據(jù)采集技術是一項基本的實用性技術,已被廣泛地應用于測量、檢測、控制、診斷等各個領域。隨著電子技術, 計算機技術和通信技術的迅猛發(fā)展, 國內(nèi)外用數(shù)字信號處理的辦法檢測, 采集, 分析, 處理各種數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種趨勢,而運用數(shù)字信號處理的方法對現(xiàn)場采集的音頻信號進行實時分析,為現(xiàn)場狀況的預測提供精確的數(shù)據(jù)分析依據(jù),現(xiàn)己經(jīng)在故障檢測、災害預防、軍事等方面得到了廣泛的應用。在鋁電解工業(yè)中,確認電解槽的破損形式和部位時可利用其發(fā)出的信號進行檢測。在鋁電解的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一些特征頻率,如熔體循環(huán)流動、界面波動、陽極氣體排出等等,也可以利用這些信號所傳達的信息實時檢測進行故障預防。本設計的功能是采集鋁電解槽的20kHz 以下頻率信號即音頻信號緩沖存儲并實時上傳到PC 機并且接收PC 機傳來的指揮信號。

2 系統(tǒng)總體結構設計

單片機工作頻率較低, 其信號處理能力遠遠不及DS P , 但是它擁有豐富的接口, 本設計中用到了較多芯片, 其初始化控制協(xié)調(diào)運行等需要較多的接口, 所以選擇單片機作為主機控制所有芯片。DSP 主頻為100MHz肯定達到處理要求,外擴的64k SRAM 為語音濾波等算法提供了空間。在與PC 機的通訊中,DSP 沒有內(nèi)置任何通訊模塊, 單片機內(nèi)置了串口通訊, 但對于高速信號采集和遠程采集控制來講串口顯然不符合要求,所以本設計采用了瑞立公司的網(wǎng)絡通訊芯片8019 通過網(wǎng)線與PC 機進行通信,它遵守TCP/IP 和UDP 協(xié)議,從而使該系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡進行遠程控制,理論上要求傳輸速度為96k*32 位*2 加開銷大約為8M/s,五類雙絞網(wǎng)線帶寬為10M,傳輸距離200 米,可以達到電解槽現(xiàn)場要求。

系統(tǒng)總體架構如圖1 所示,由單片機通過DSP 的主機接口HPI 控制DSP 的加載啟動和復位, 單片機控制AD 模塊AIC23 的初始化和復位,同時也控制網(wǎng)絡通訊模塊8019 的上電復位,通過串口RS232 可以將程序下載到單片機中。DSP 則通過多通道緩沖串口McBSP 與AIC23 進行數(shù)據(jù)交換,同時通過網(wǎng)絡模塊8019 與上位機進行數(shù)據(jù)通信,SRAM 則為DSP 的數(shù)據(jù)存儲和處理提供了更廣闊的空間。另外CPLD 模塊并未在圖中表示出,所有需要邏輯的信號都要通過CPLD 模塊進行邏輯,如片選信號, 地址譯碼信號, 一部分復位信號等等。

系統(tǒng)總體架構圖

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

2.1 主從結構設計

系統(tǒng)由單片機和DS P 組成主從結構, 單片機為主機,主要通過DSP 的HPI 外設對DSP 進行控制,該外設包括HD[0-7] 八個數(shù)據(jù)線和十個控制引腳,用單片機的P0 口連接DSP 的HD 口,P2 口連接需要控制的幾個控制引腳,這樣通過P0 口和P2 口,單片機就可以通過HPI實現(xiàn)對DSP 的控制,事實上主要是上電復位的bootloader引導過程。單片機對DSP 的啟動控制過程是首先上電發(fā)復位信號,DSP 上電復位后30 個CPU 周期內(nèi)會首先檢查INT2 中斷標志是否有效,將HPI 的HINT 引腳連接到INT2 上,這樣DSP 復位后HINT 的低電平使INT2有效,正好選擇了HPI 模式,待DSP 完成了對HPI 實現(xiàn)方式的確認后向DSP 裝載程序,程序搬移完成后設置程序入口點,這樣就實現(xiàn)了DSP 的啟動。

2.2 DSP 與AIC23 的通信

DSP 與AIC23 間的通信是通過McBSP[6]口實現(xiàn)的,它是一個多通道多緩沖全雙工的串行通信接口,AIC23通過單片機配置可以實現(xiàn)8kHz-96kHz 的采樣率[4],根據(jù)采樣定理采樣率需要達到40kHz 以上,將AIC23 配置為96kHz 的采樣率。硬件連接方案如下:將DSP 的BDX0(發(fā)送串行數(shù)據(jù))BDR0(接收串行數(shù)據(jù))BFSX0(發(fā)送幀同步引腳)BFSR0(接收幀同步引腳)與AIC23 的DIN(接收串行數(shù)據(jù))DOUT(發(fā)送串行數(shù)據(jù))LRCIN(接收幀同步信號)LRCOUT(發(fā)送幀同步信號)相連接。因為整個通信過程是由DSP 主導的,所以時鐘信號統(tǒng)一用BCLKX0(發(fā)送時鐘引腳),故而將BCLKX0 BCLKR0(接收時鐘引腳)以及AIC23 上的BCLK 相連。

2.3 DSP 與8019 的通信

對于DS P 來講, 8 0 1 9 好比一個片外存儲器, 所以DSP 對8019 的操作與對片外存儲器的操作相同,連接方法也與存儲器連接方法相同, 這里不再螯述, 事實上,8019 內(nèi)部存儲器分為三部分即控制寄存器和數(shù)據(jù)發(fā)送接收存儲器。
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3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 單片機程序設計

單片機控制著整個系統(tǒng),主要工作是各個芯片的上電復位初始化, 對于不同的芯片操作方式也不盡相同,程序設計中將每個芯片初始化定義為一個函數(shù),其主函數(shù)如下:



對DSP 的初始化過程分為復位和加載程序兩步,完成初始化后通過AIC23 放音。

3.2 DSP 程序設計

DSP 程序包括主程序,AD 控制程序,8019 控制程序,中斷向量表和命令文件。主程序中完成對自身各寄存器的配置和外圍芯片的二次初始化以及死循環(huán),需要配置的自身寄存器包括幾個基本狀態(tài)寄存器,定時器有關寄存器和多通道緩沖串口寄存器。AD 控制程序包含于McBSP 接收中斷服務程序中,該程序將接收到的信號存儲到一個定義好的緩存中,同時將發(fā)送緩存中的一個信號送給AD。程序如下:




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8019 控制程序是最繁瑣的一部分,因為編程過程要遵循TCP/IP 和UDP 協(xié)議,8019 具有獨特的分頁控制寄存器的功能?？梢詫碗s的控制程序分為幾個控制函數(shù), 好在制造商已經(jīng)為用戶提供了這幾個函數(shù)的庫文件,用戶只需要調(diào)用就可以了,以下給出8019 通信程序:







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3.3 CPLD 程序設計

CPLD 程序中要完成的有片選信號(包括一部分地址信號)和中斷信號的邏輯處理,選用ALTRA 的EPM7032AE[5]。

DSP 的外部中斷INT1 反映的是USB 中斷請求,INT1 為低有效而USBINT 為高有效,INT1<=NOT(USBINT);DSP 的RW 信號在讀操作時為高電平在寫操作時為低電平,MEMSTRB 存儲器選通信號為低有效,SRAM 的寫信號MEMWR 和讀信號MEMRD 均為低有效, 故MEMWR<=RW OR MEMSTRB,MEMRD<=NOT (RW)OR MEMSTRB;DSP 的I/O 選通信號IOSTRB 為低有效, 而對于接受I /O 控制的USB 芯片來講其讀寫信號RD 和WR 均為低有效,故IOWR<=RW OR IOSTRB,IORD<=NOT(RW) OR IOSTRB;DSP 的數(shù)據(jù)選通信號DS 為低有效,存儲器選通信號MEMSTRB 也為低有效,而SRAM的片選信號RAMCS 同樣為低有效,并且RAMCS在DS 或MEMSTRB 有效時均應被激活,RAMCS<=MEMSTRB OR DS;3.4 上位機程序設計：

上位機程序的功能是接收來自下位機的傳送數(shù)據(jù)和向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)和命令,對于接受到的數(shù)據(jù)可以利用數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行分析得出結果,而對于向下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)工業(yè)中以控制參數(shù)和音頻命令居多,故本設計中上位機界面提供了這些內(nèi)容, 界面如圖2 所示。

上位機界面

圖2 上位機界面。

3.5 調(diào)試

抓包測試圖

圖3 抓包測試圖。

電路板制作完成后, 用聯(lián)機網(wǎng)線將電路板和PC 機連接,將電路板IP 和PC 機IP 設置在同一組中,從PC 機發(fā)送包含0-20kHz 各個頻率的音頻信號給DSP,DSP 將該音頻通過AIC23 后播放,與PC 機同步播放的音頻信號相對比檢查傳輸實時性, 對比其各部分頻率或對比PC 機內(nèi)和DSP 內(nèi)數(shù)據(jù)數(shù)值可知數(shù)據(jù)傳輸質量如何。同時DSP 將采集到的信號發(fā)送給PC 機,由于數(shù)量很大全部顯示反應遲緩所以捕捉顯示,對比CCS 查看到的DSP內(nèi)存儲數(shù)據(jù)可知傳輸是否正確,用網(wǎng)絡抓包軟件抓包可以清楚的看到通信的內(nèi)容, 如圖3 所示。

4 結束語

系統(tǒng)設計完成后通過測試能夠完成高速信號的采集和傳輸, 數(shù)據(jù)傳輸正確, 質量良好。數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性達到用戶的設計要求。在該系統(tǒng)的設計中,DSP 的強大運算能力和擴展的數(shù)據(jù)存儲空間為復雜算法的實現(xiàn)提供了條件。在鋁電解工業(yè)應用中,后續(xù)課題中將把電解鋁控制的復雜神經(jīng)網(wǎng)絡算法寫入到本設計的DSP 中,屆時該設計的功能可將現(xiàn)場信號采集實時運算及控制以及上傳下載高速信號集于一身。此外,在其它工控場合本設計也可扮演重要角色。