基于DSP和光纜通信的遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：介紹一種以TMS320VC5402 DSP為核心處理器的高速遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以分時采集方式對多路模擬信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣率達(dá)40MHz。經(jīng)過高速處理器的實(shí)時處理，通過光纜將數(shù)據(jù)傳送到主控計算機(jī)端，作進(jìn)一步處理與分析。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于需要較高頻率遠(yuǎn)程模擬信號的采集處理場合。 關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集 DSP 光纖通信 信號處理 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，ＤＳＰ技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。將ＤＳＰ技術(shù)應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集，可以對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，同時將高速光纜通信技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)傳遞，能夠使采集的大量信號高速可靠地傳遞至主控計算機(jī)作進(jìn)一步的分析處理。本文介紹了一種使用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２作為處理器，用高速Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，使用光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的高速遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集板。將此采集板應(yīng)用于油田超聲波測井系統(tǒng)，為探測油井下內(nèi)壁、壁厚以及油井外固井水泥環(huán)的情況提供充分的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 作為一個使用ＤＳＰ芯片作為處理器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不但要完成數(shù)據(jù)的采集工作，而且還要能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，然后將數(shù)據(jù)傳遞至遠(yuǎn)處控制端。同時，數(shù)據(jù)采集部分還要能夠接收遠(yuǎn)端控制端發(fā)出的命令，及時對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行總體上的控制。 此遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要完成的基本功能是：接收地面主控計算機(jī)發(fā)出的控制命令，自動完成多路超聲波電信號的采集工作：將信號放大，濾波處理后數(shù)字化，經(jīng)過短暫存儲及初步處理，將數(shù)字化的超聲波信號分組，傳遞至地面主控計算機(jī)，供分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
１ 系統(tǒng)硬件的設(shè)計
整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和計算機(jī)控制卡兩部分組成。數(shù)據(jù)采集部分完成超聲波信號的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及處理和傳輸控制；計算機(jī)控制卡接收由數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過光纜傳遞的數(shù)據(jù)信號，送至計算機(jī)ＰＣＩ總線，由處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ＰＣＩ控制卡經(jīng)過控制軟件向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，使數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)命令改變工作狀態(tài)。
１．１ 數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計 圖１為數(shù)據(jù)采集卡部分的電路原理圖。由于數(shù)據(jù)采集板工作在惡劣的環(huán)境中，要求硬件電路保證完成盡可能多工作的同時，使用盡可能少的器件，以保證采集板能夠長時間地穩(wěn)定工作。 數(shù)據(jù)采集板的核心處理器是ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２。該芯片是ＴＩ公司ＴＭＳ３２０ＶＣ５４ｘ系列的ＤＳＰ芯片，是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計的定點(diǎn)ＤＳＰ芯片，主要應(yīng)用在通信、數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中。該芯片采用ＣＭＯＳ制造工藝，屬于第七代ＤＳＰ產(chǎn)品，它的工作頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２芯片內(nèi)部不帶ＦＬＡＳＨ程序存儲器，因此，在采集板上要讓ＦＬＡＳＨ存儲器保存程序。使用的芯片是ＳＳＴ３９ＶＦ４００Ａ。此芯片是Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ生產(chǎn)的２５６Ｋ字節(jié)的１６位ＦＬＡＳＨ存儲器。在電路啟動時，由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２內(nèi)部ＲＯＭ中的引導(dǎo)程序?qū)⒋鎯υ冢疲蹋粒樱戎械墓ぷ鞒绦蜣D(zhuǎn)移到ＳＲＡＭ中，提高程序運(yùn)行效率，降低對外部ＲＯＭ的速度要求。這樣，不僅可以提高系統(tǒng)硬件的成本，而且可以提高系統(tǒng)的整體抗干擾性。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ ＤＳＰ芯片內(nèi)帶１６Ｋ字節(jié)的ＲＡＭ，其中一部分用來運(yùn)行程序，另外一部分可以用來存儲臨時數(shù)據(jù)，片內(nèi)的ＲＡＭ存儲器不能滿足數(shù)據(jù)存儲容量的要求，因此在采集板上還要擴(kuò)充一部分ＳＲＡＭ。此采集卡上使用的ＳＲＡＭ芯片為ＣＹ７Ｃ１０２１。此芯片是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生產(chǎn)的１６位６４Ｋ字節(jié)的靜態(tài)ＲＡＭ存儲器，采用ＣＭＯＳ工藝，具有自動低功耗模式的功能，降低系統(tǒng)功耗，保證低散熱量。 Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換電路使用ＴＬＣ５５４０模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，這是ＴＩ公司的８位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，它的最高轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到每秒４０兆字節(jié)。ＴＬＣ５５４０采用了一種改進(jìn)的半閃結(jié)構(gòu)，使用ＣＭＯＳ工藝，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時，能夠保持低功耗，在推薦的工作條件下，其功耗僅為７５ｍＷ。使用ＴＬＣ５５４０進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的控制信號由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２產(chǎn)生，采樣時鐘經(jīng)過５４０２的ＣＬＫＯＵＴ端口分頻得到。當(dāng)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，首先ＤＳＰ芯片選通要采集的模擬信號通路，將經(jīng)過處理的模擬信號送至ＴＬＣ５５４０的模擬輸入端口，然后ＤＳＰ芯片通過地址使能轉(zhuǎn)換芯片ＴＬＣ５５４０，控制轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，送至數(shù)據(jù)總線。由于ＴＬＣ５５４０是８位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，因此只將８位數(shù)字信號送至數(shù)據(jù)總線的低８位上，由ＤＳＰ芯片進(jìn)一步處理。 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，采集端與控制端之間必須要使用高速通信電路，使得兩端能夠及時通信。在本采集系統(tǒng)中，為解決高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，選用了光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)代光通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使光纖通信的速率可以達(dá)到每秒鐘幾Ｇ比特，中繼距離也可達(dá)幾百千米，因此使用光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，無疑是解決高速率遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸問題的好方法。由于光纜本身的物理性質(zhì)，其自身比較脆弱，但是可以在光纖外面使用鋼纜或鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加固，使得光纜的外部物理特性大大增強(qiáng)，保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 電氣電路和光纜之間的接口使用光端機(jī)，光端機(jī)的輸入輸出接口是串行通信接口，使用非平衡傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出。在ＤＳＰ芯片與光端機(jī)通信模塊之間，必須將總線上的并行數(shù)據(jù)串行化，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，以便光端機(jī)進(jìn)行光通信。ＤＳＰ接收信號時必須將光端機(jī)輸出的串行信號反串行化，轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。光纜通信的速率比處理器的處理速率要高，因此，在串行器、反串行器和處理器的數(shù)據(jù)總線之間要加入先進(jìn)先出存儲器，將數(shù)據(jù)暫時存儲，等積累了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)之后，由串行化器進(jìn)行發(fā)送或者處理器接收反串行化器送來的光纜上的數(shù)據(jù)。 在數(shù)據(jù)總線和串行化器／反串行化器之間加入ＦＩＦＯ，對于數(shù)據(jù)傳輸效率有很大的提高。ＩＤＴ７２Ｖ０２是ＩＤＴ公司生產(chǎn)的低電壓ＣＭＯＳ異步先進(jìn)先出存儲器，有１０２４%26;#215;９字節(jié)的存儲空間，可以保存１Ｋ的９位字節(jié)數(shù)據(jù)。在本設(shè)計中，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)為八位數(shù)據(jù)，因此只使用了ＦＩＦＯ中的低八位數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，第九位數(shù)據(jù)用作校驗(yàn)位。串行化與反串行化芯片選用了ＴＩ公司的ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２，這兩個芯片是１０：１和１：１０串行化／反串行化芯片，并行數(shù)據(jù)可以在１０ＭＨｚ～４０ＭＨｚ時鐘下傳輸，相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)可以在１００ｂｐｓ～４００ｂｐｓ的速率下傳輸。ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２均能夠工作在低功耗方式下，不傳遞數(shù)據(jù)時，可以降低整個系統(tǒng)的功耗，輸出數(shù)據(jù)總線可以保持高阻抗?fàn)顟B(tài)。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的通用Ｉ／Ｏ接口比較少，因此數(shù)據(jù)采集板上使用了一片ＣＰＬＤ作為通用Ｉ／Ｏ的擴(kuò)展接口。ＤＳＰ芯片將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、ＦＩＦＯ、串行化／反串行化器等器件都作為統(tǒng)一的外設(shè)，對每一外設(shè)進(jìn)行地址編碼。通過ＣＰＬＤ將ＤＳＰ的外設(shè)操作信號轉(zhuǎn)換為對具體芯片的控制信號。這樣在程序的效率以及整體電路工作的協(xié)調(diào)性上都有了很大的提高。
１．２ 地面ＰＣＩ總線控制卡的硬件設(shè)計 為了方便地面計算機(jī)對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行實(shí)時控制，高速接收數(shù)據(jù)，因此設(shè)計一塊ＰＣＩ卡，將從光纜送來的數(shù)據(jù)直接送至計算機(jī)的ＰＣＩ數(shù)據(jù)總線是一種高效且實(shí)用的方法。 光端機(jī)接收光纜傳遞的光信號，由反串行化器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，送至存儲器進(jìn)行暫時存儲，再將整個數(shù)據(jù)段送至計算機(jī)ＰＣＩ總線，由軟件進(jìn)行處理并存儲至硬盤。 ＰＣＩ卡的主要芯片為ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５２。該芯片在ＰＣＩ總線接口芯片市場有相當(dāng)?shù)姆蓊~，是在ＰＣＩ從模式接口設(shè)計卡中得到廣泛應(yīng)用的接口芯片，可以提供用于適配卡的小型而高性能的ＰＣＩ總線目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ數(shù)據(jù)總線上的３３ＭＨｚ的數(shù)據(jù)傳輸。ＰＣＩ９０５２的主要特點(diǎn)有：
（１）進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時，ＰＣＩ卡通過光端機(jī)接收由光纖送來的光信號，轉(zhuǎn)換為串行電信號由光端機(jī)接口送出，經(jīng)過ＳＮ６５ＬＶＤＳ１２１２反串行器轉(zhuǎn)換成并行信號，由控制器送入到ＦＩＦＯ中緩存。當(dāng)接收完一個數(shù)據(jù)包后，由ＰＣＩ９０５２將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)送到計算機(jī)ＰＣＩ總線，系統(tǒng)軟件將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)需要保存到硬盤。
（２）當(dāng)計算機(jī)控制采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，計算機(jī)軟件向總線發(fā)出命令，ＰＣＩ卡接收到系統(tǒng)軟件送至ＰＣＩ總線上的數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)送到串行器的數(shù)據(jù)總線上，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，經(jīng)光端機(jī)轉(zhuǎn)化為光信號，送至光纜向采集卡進(jìn)行傳輸。

２ 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)卡的實(shí)時系統(tǒng)控制軟件包括兩部分：采集卡上ＤＳＰ控制及數(shù)據(jù)處理軟件；上位機(jī)接收并處理ＤＳＰ發(fā)送來的數(shù)據(jù)的實(shí)時處理控制軟件。 固化在采集板上的ＤＳＰ處理程序是軟件部分的主體，程序主流程圖如圖２所示。 軟件采用模塊化的設(shè)計方法，其中包括采集卡的初始化、定時器處理、數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)處理,以及接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幾個模塊。采集卡啟動ＤＳＰ芯片首先通過ＢＯＯＴ ＬＯＡＤＥＲ程序?qū)⒋鎯υ冢疲蹋粒樱戎械某绦虼a轉(zhuǎn)移到ＲＡＭ中，高速運(yùn)行程序。程序首先進(jìn)行初始化，然后由ＤＳＰ本身完成對數(shù)據(jù)的自動采集，計算機(jī)并不參與采集的具體過程。采集后的數(shù)據(jù)暫時存儲在ＲＡＭ中，當(dāng)采集到一定數(shù)量的一組數(shù)據(jù)，由ＤＳＰ芯片對數(shù)據(jù)根據(jù)需要進(jìn)行處理。例如，對信號進(jìn)行互相關(guān)、自相關(guān)、功率譜、互譜、壓縮算法等分析計算，減少傳輸過程以及上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。經(jīng)過處理獲得數(shù)據(jù)，ＤＳＰ芯片將其按照一定的協(xié)議送至傳輸總線，控制串行化器通過光端機(jī)將其傳送至上位主機(jī)，以進(jìn)一步分析、處理數(shù)據(jù)。ＤＳＰ程序使用ＣＣＳ集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，編程語言使用Ｃ語言與匯編語言相結(jié)合的方法，程序整體使用Ｃ語言編寫以提高程序開發(fā)周期。對于實(shí)時性要求強(qiáng)或比較復(fù)雜的算法，為提高ＤＳＰ代碼芯片的執(zhí)行效率，使用匯編語言編寫。 上位機(jī)的軟件編寫包括ＰＣＩ卡驅(qū)動程序和應(yīng)用程序兩部分。在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)下，普通用戶不能進(jìn)行直接讀寫物理地址和讀取系統(tǒng)分配的資源信息的底層硬件操作，因此，在硬件設(shè)施完備的基礎(chǔ)上，編寫ＰＣＩ接口卡的驅(qū)動程序，是上位機(jī)工作軟件中的一個重要環(huán)節(jié)。使用Ｊｕｎｇｏ公司的Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ開發(fā)工具編寫本ＰＣＩ卡的驅(qū)動程序。該程序?yàn)橐话愕挠脩魬?yīng)用程序提供了一個很好的底層硬件接口，對于實(shí)時性要求不很嚴(yán)格的情況下，應(yīng)用程序能夠直接對底層硬件進(jìn)行操作。由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作完全由采集卡上的ＤＳＰ自動控制完成，計算機(jī)對采集卡的控制只是一些工作方式的控制選擇，因此對于ＰＣＩ卡的時序要求并不十分嚴(yán)格，使用Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ開發(fā)ＰＣＩ卡的驅(qū)動程序完全可以滿足需要。 用戶應(yīng)用程序使用高級語言進(jìn)行開發(fā)，通過Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ提供的接口，程序控制者可以利用對ＰＣＩ卡的操作向采集卡發(fā)出控制命令，同時接收ＰＣＩ卡送來的采集數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理、存儲。
３ 試驗(yàn)結(jié)果
在實(shí)際的油井測量實(shí)驗(yàn)中，選用１ＭＨｚ的超聲波信號，對５．５英寸的套管井進(jìn)行測量，用１０ＭＨｚ的采樣率對超聲波信號進(jìn)行采樣。采集接收到的超聲波數(shù)據(jù)，計算機(jī)上得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和處理，可以為超聲波測井提供充分的依據(jù)。如圖３所示。

４ 設(shè)計中需要注意的問題
采集卡的設(shè)計過程中，主要問題在于硬件電路的設(shè)計。ＤＳＰ芯片是高速數(shù)據(jù)處理芯片，外部總線的速率若達(dá)到４０ＭＨｚ，內(nèi)部的時鐘則可以達(dá)到更高。因此設(shè)計上要充分考慮ＤＳＰ芯片引腳的外接方式和工藝特性。采集卡上有數(shù)字和模擬兩種信號系統(tǒng)，在設(shè)計時要將數(shù)字信號和模擬信號電氣上相互隔離，距離要盡量遠(yuǎn)，減少兩種信號之間相互干擾。在每個元件的電源引腳附近都要加上一個小濾波電容，減小電源的不穩(wěn)定因素。系統(tǒng)的電源設(shè)計要使用響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、精度高的電源芯片，電源輸出加上大的濾波電容以提高整個電路板的穩(wěn)定性。盡量選用貼片封裝的元件，減小元件本身散熱量的同時增加電路焊接的可靠性以及抗干擾性。元件分布版面設(shè)計時，元件在電路板上的質(zhì)量分布要均勻，以增加電路板的機(jī)械性能。 本文介紹了一種基于ＤＳＰ芯片、通過光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的高速遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)計了一套完整的遠(yuǎn)程高速數(shù)據(jù)采集方案。該方案在強(qiáng)大的ＤＳＰ處理器控制下利用高速Ａ／Ｄ芯片完成多路模擬信號的分時采集工作，采集后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時處理與高速傳輸。將該數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用于油田超聲波測井系統(tǒng)，對超聲波測井信號進(jìn)行高速采集，送至計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，為測井工作提供了充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。