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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.1 主從結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)由單片機和DS P 組成主從結(jié)構(gòu), 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。