基于TMS320C6713和MAX1420的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通信與信息技術(shù)領(lǐng)域中重要的功能模塊，應(yīng)用廣泛。而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多以單片機(jī)或中規(guī)模數(shù)字電路為核心，其模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D轉(zhuǎn)換器)采樣速率較低。顯然傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能完全滿足高速、高精度及具有數(shù)字信號(hào)處理功能要求，因此，這里提出一種基于DSPTMS320C6713和A/D轉(zhuǎn)換器和MAX1420的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DSP控制MAX1420實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，完成必要的數(shù)據(jù)通信與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。其中，數(shù)據(jù)通信是將系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口傳給上位機(jī)；而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是系統(tǒng)存儲(chǔ)必要數(shù)據(jù)，防止由于系統(tǒng)掉電而丟失數(shù)據(jù)。另外，DSP除完成系統(tǒng)控制外，還可通過(guò)編程設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理。從而實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)采集的開放式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用TI公司的TMS320C6713型DSP作為核心控制器，內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)，8個(gè)功能單元共用32個(gè)32位通用寄存器．最多可在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，提高程序執(zhí)行速度；具有32位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，尋址空間可達(dá)52 MB；可與SDRAM、SBRAM實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，用于大容量高速存儲(chǔ)：直接異步存儲(chǔ)接口可與SRAM、EPROM連接，用于小容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)：具有16個(gè)獨(dú)立的EDMA傳輸通道。在CPU不干預(yù)的情況下，支持多路數(shù)據(jù)的獨(dú)立快速傳輸；具有兩個(gè)支持全雙工通信的多通道緩沖串口McBSP。
另外，TMS320C6713便于擴(kuò)展存儲(chǔ)器和I／O接口。其總線在片內(nèi)不易受干擾，且應(yīng)用體積小，容易采取屏蔽措施，故可工作在電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境下，可靠性高。TMS320C6713采用增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，可以完成并行指令操作。片上還集成有40位算術(shù)邏輯單元ALU，2個(gè)17位×17位硬件乘法器等功能部件。
以TMS320C6713為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為32位，連接A/D轉(zhuǎn)換器、DSP、通信接口以及數(shù)據(jù)Flash的數(shù)據(jù)線。DSP的地址總線經(jīng)CPLD澤碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器、通信接口、數(shù)據(jù)Flash等器件的片選信號(hào)。DSP控制外圍器件時(shí)，需復(fù)用控制總線，因此也需對(duì)CPLD進(jìn)行譯碼。

2．2 A/D轉(zhuǎn)換器模塊設(shè)計(jì)
A/D轉(zhuǎn)換器模塊選用MAX1420。MAX1420是ADI公司推出的12位A／D轉(zhuǎn)換器，其最高轉(zhuǎn)換速率是60 Ms/s，電源電壓是3．3 V，允許輸入信號(hào)范圍是-1．024～+1．024 V，最大功耗218 mW。系統(tǒng)由DSP向MAX1420發(fā)送指令，控制A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序。MAX1420的數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)總線相連。MAX1420的地址線與控制線由DSP發(fā)出指令并經(jīng)CPLD譯碼，實(shí)現(xiàn)該器件的片選(CS)控制；MAX1420工作時(shí)CS保持低電平。MAX1420的工作狀態(tài)BUSY傳送給DSP的INT端，請(qǐng)求DSP中斷，DSP按照時(shí)序要求控制MAX1420，完成A／D轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換器硬件電路如圖2所示。

另外，系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)時(shí)分采集多路數(shù)據(jù)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需在MAX1420前端加載多路模擬開關(guān)。使用AD7503就可實(shí)現(xiàn)8路模擬開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。
2．3 通信接口模塊設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的通信接口有標(biāo)準(zhǔn)RS232和USB2．0兩種接口。由于TMS320C6713片上有標(biāo)準(zhǔn)同步串行接口，若與外部同步串行通信，只需采用MAX3232完成TTL電平與EIA電平的轉(zhuǎn)換。若采用異步串行接口．則可采用TL16C550實(shí)現(xiàn)該功能。這里采用FT245BM器件完成USB2．0接口，該器件主要功能是進(jìn)行USB與并行I／O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。一方面可從主機(jī)通過(guò)USB接口接收數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面外設(shè)可通過(guò)并行I/O接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳輸至主機(jī)。中間的并行I／O接口與USB的協(xié)議轉(zhuǎn)換全部南該器件自動(dòng)完成。與PC機(jī)通信時(shí)上位機(jī)軟件只需采用VB或VC結(jié)合控制時(shí)序即可實(shí)現(xiàn)。
FT245BM內(nèi)部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進(jìn)先出(FIFO)控制器等構(gòu)成。USB收發(fā)器提供USB2．0的全速物理接口到USB總線，支持UHCI／OHCI主控制器；串行接口引擎實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的串／并雙向轉(zhuǎn)換，并遵循USB規(guī)范完成USB數(shù)據(jù)流的位填充／位反填充，以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC5／CRC16)的產(chǎn)生和檢錯(cuò)；USB協(xié)議引擎管理來(lái)自USB設(shè)備控制端口的數(shù)據(jù)流；FIFO控制器處理外部接口和收發(fā)緩沖區(qū)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。