基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，低功耗、高性能的DSP可取代通用單片機(jī)，用在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中；以太網(wǎng)技術(shù)也正在數(shù)據(jù)采集、測試測量技術(shù)中發(fā)揮越來越大的作用。本文主要從軟件、硬件出發(fā)，介紹一種基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計思路及實現(xiàn)。

1 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

由于生產(chǎn)和科研領(lǐng)域?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/測試">測試的要求越來越高，所需測試和處理的數(shù)據(jù)量也越來越大，可能需要多個測試儀器同時進(jìn)行處理，也可能需要在各測試儀器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；而且，有些時候不適合工作人員親臨現(xiàn)場，這時就需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。以太網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。

　　 

和現(xiàn)在使用于工業(yè)現(xiàn)場比較多的現(xiàn)場總線比較，以太網(wǎng)最大的特點(diǎn)是開發(fā)性好、成本低。通過把復(fù)雜的TCP／IP協(xié)議封裝而提供的各種網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)測試的開發(fā)變得不再復(fù)雜；同時，網(wǎng)絡(luò)測試帶來的巨大效益，使得網(wǎng)絡(luò)測試在測試自動化領(lǐng)域能夠得到廣泛的應(yīng)用。以太網(wǎng)作為分布式測試的一個網(wǎng)絡(luò)方案，其潛力無疑是巨大的。

以太網(wǎng)接口控制器和DSP微處理器的價格不斷下降，使得以太網(wǎng)直接集成到基于DSP等嵌入式系統(tǒng)的測試、采集和工業(yè)I／O設(shè)備中成為一個越來越明顯的趨勢?；谝蕴W(wǎng)的I／O設(shè)備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入到設(shè)備內(nèi)部。所以一般來說，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，可以有更小的設(shè)備體積，安裝也更靈活。和一些現(xiàn)在使用于工業(yè)的其它通信方案比較，以太網(wǎng)方式通常需要更強(qiáng)大的微處理器和內(nèi)存。而現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是DSP技術(shù)的應(yīng)用，可以大大地降低這方面的成本。

2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)以TI公司的TMS320C6000(以下簡稱C6000)系列DSP中的TMS320C6211和10／100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制芯片MX98728EC為核心，主要包括ADC數(shù)據(jù)采集、DSP數(shù)據(jù)處理和以太網(wǎng)接口三個部分。圖2為數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖。

　　

圖2  數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖

(1)C6000系列DSP

C6000是1997年美國TI公司推出的新一代高性能DSP芯片。這種芯片是屬于定點(diǎn)、浮點(diǎn)兼容的D S P系列。其中定點(diǎn)系列是TMS320C62XX，浮點(diǎn)系列是TMS320C67XX。C6000片內(nèi)有8個并行的處理單元，分為相同的兩組。芯片的最高時鐘頻率可以達(dá)到300MHz，當(dāng)芯片內(nèi)部8個處理單元同時運(yùn)行時，其最大處理能力可以達(dá)到2400MIPS。本數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采用TMS320C6211。

(2)以太網(wǎng)控制器MX98728EC

MX98728EC是一個通用的單片10／100M快速以太網(wǎng)控制器。通過它的主機(jī)總線接口，可以實現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用，而不需要或者只需極少的外部控制邏輯。單片的解決方案可以減小電路板的尺寸和板上芯片的數(shù)量，以降低系統(tǒng)的成本。MX98728EC的特點(diǎn)如下：

◇ 32位通用異步總線結(jié)構(gòu)，支持頻率最高到33MHz；

◇ 單片解決方案，集成了10／100M TP收發(fā)器；

◇ 可選的外部收發(fā)器MII接口；

◇ 完全兼容IEEE 802.3u協(xié)議；

◇ 支持16／8位打包緩沖數(shù)據(jù)寬度和32／16位主機(jī)總線數(shù)據(jù)寬度；

◇ 分離的TX和RX FIFO，支持全雙工模式，獨(dú)立的TX和RX通道；

◇ 豐富的片上寄存器，以支持各種各樣的網(wǎng)絡(luò)管理功能；

◇ 支持16／8位的用于打包緩沖器的SRAM接口，支持片上FIFO的突發(fā)DMA模式；

◇ 自動設(shè)置網(wǎng)絡(luò)速度和協(xié)議的NWAY功能；

◇ 可選的EEPROM 配置，支持1Kb和4Kb的EEPROM 接口；

◇ 支持軟件EEPROM 接口，方便升級EEPROM的內(nèi)容。

(3) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

①ADC數(shù)據(jù)采集部分。CPLDl由DSP提供時鐘信號，主要作用是提供掃描表SRAM的地址。掃描表SRAM的數(shù)據(jù)由DSP寫入。掃描表的數(shù)據(jù)輸出對擬進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的模擬通道進(jìn)行選擇和對儀表放大器進(jìn)行增益選擇。ADC采用14位的LTCl416。32路模擬信號通過多路復(fù)用器，選擇其中1路信號，進(jìn)入儀表放大器放大之后，進(jìn)入ADC。ADC的轉(zhuǎn)換時鐘由DSP的定時器提供。

②DSP數(shù)據(jù)處理部分。ADC轉(zhuǎn)換后的14位數(shù)據(jù)通過FIPO進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。FIFO采用4片CY7C425形成乒乓結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)模擬信號的不間斷采樣。DSP擴(kuò)展一片F(xiàn)lash存儲器，作為DSP的程序存儲器。另外，還擴(kuò)展了一片SRAM，作為程序緩存，脫機(jī)運(yùn)行時，DSP將Flash中的程序?qū)懭隨RAM，再寫入DSP內(nèi)部RAM。CPLD2主要是用于控制FIFO的讀寫，并且提供以太網(wǎng)接口部分的控制信號。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理算法重點(diǎn)實現(xiàn)濾波、采樣率變換、非線性修正和溫漂修正等。

③以太網(wǎng)接口部分。以太網(wǎng)主控芯片MX98728EC通過RJ45接口連接以太網(wǎng)，擴(kuò)展一片SRAM作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)據(jù)存儲器。EEPROM存儲以太網(wǎng)卡的MAC地址、I／O基地址、中斷線選擇等配置寄存器初始化數(shù)據(jù)。CPLD3通過DSP高位地址線的譯碼，控制以太網(wǎng)芯片的片選和提供以太網(wǎng)接口部分的復(fù)位信號等。DSP和以太網(wǎng)的接口部分硬件設(shè)計如圖3所示。

　　 

3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

C6000系列DSP芯片的硬件資源為高性能提供了必要條件，應(yīng)該充分利用這些硬件資源及開發(fā)工具，使代碼達(dá)到所期望的性能。在DSP嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成已經(jīng)封裝的TCP／IP協(xié)議棧，增加網(wǎng)絡(luò)連接代碼，這是軟件編程時應(yīng)該著重考慮的問題。因為DSP系統(tǒng)硬件及以太網(wǎng)協(xié)議的復(fù)雜性，本系統(tǒng)中的軟件編程是一個關(guān)鍵的難點(diǎn)。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，采用了TI基于C6000系列DSP的實時操作系統(tǒng)DSP／BIOS和DSP／BIOS提供的實時數(shù)據(jù)交換功能RTDX(Real-Time-Data-eXchange)。DSP／BIOS針對DSP的應(yīng)用環(huán)境，通過一系列的對象模塊，向開發(fā)者提供了一個實用優(yōu)秀的實時操作系統(tǒng)。它可以幫助用戶提高軟件的模塊化、并行性和維護(hù)性等，有利于降低系統(tǒng)成本和縮短開發(fā)周期。運(yùn)行于該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序，在開發(fā)時間、軟件維護(hù)和升級等方面都有了極大的提高。實時數(shù)據(jù)交換RTDX是DSP／BIOS提供的一個全新功能。在很多應(yīng)用中，要求DSP從主機(jī)中實時地讀取數(shù)據(jù)或者向主機(jī)實時地輸出數(shù)據(jù)，而不能夠停下來。

因為本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及的算法較多，故應(yīng)采用模塊化、由頂向下、逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。這一方法可節(jié)省軟件工作量、提高工作效率。圖4為簡化的數(shù)據(jù)采集處理主程序流程圖。

　　 

結(jié) 語

實踐證明，根據(jù)以上方案設(shè)計的基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可以很好地實現(xiàn)對模擬信號進(jìn)行采集和處理的功能。在此基礎(chǔ)上，也可以作為基于DSP嵌入式系統(tǒng)和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試平臺開發(fā)過程中重要的調(diào)試工具，從而加速把以太網(wǎng)集成到測試、采集和工業(yè)I／O儀器中的開發(fā)進(jìn)程。