基于DSP和以太網的數據采集處理系統(tǒng)

隨著測試技術的不斷發(fā)展進步，低功耗、高性能的DSP可取代通用單片機，用在數據采集處理系統(tǒng)中；以太網技術也正在數據采集、測試測量技術中發(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和以太網的數據采集處理系統(tǒng)的設計思路及實現(xiàn)。

1 基于以太網的數據采集處理系統(tǒng)

由于生產和科研領域對測試的要求越來越高，所需測試和處理的數據量也越來越大，可能需要多個測試儀器同時進行處理，也可能需要在各測試儀器之間進行數據交換；而且，有些時候不適合工作人員親臨現(xiàn)場，這時就需要進行網絡控制。以太網技術在數據采集處理系統(tǒng)中的應用如圖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，以太網最大的特點是開發(fā)性好、成本低。通過把復雜的TCP／IP協(xié)議封裝而提供的各種網絡測試技術，使得網絡測試的開發(fā)變得不再復雜；同時，網絡測試帶來的巨大效益，使得網絡測試在測試自動化領域能夠得到廣泛的應用。以太網作為分布式測試的一個網絡方案，其潛力無疑是巨大的。

以太網接口控制器和DSP微處理器的價格不斷下降，使得以太網直接集成到基于DSP等嵌入式系統(tǒng)的測試、采集和工業(yè)I／O設備中成為一個越來越明顯的趨勢?；谝蕴W的I／O設備是將以太網接口直接嵌入到設備內部。所以一般來說，在網絡進行數據采集時，可以有更小的設備體積，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，以太網方式通常需要更強大的微處理器和內存。而現(xiàn)在網絡和計算機技術的發(fā)展，特別是DSP技術的應用，可以大大地降低這方面的成本。

2 數據采集處理系統(tǒng)的硬件設計

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

　　

圖2  數據采集處理系統(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、浮點兼容的D S P系列。其中定點系列是TMS320C62XX，浮點系列是TMS320C67XX。C6000片內有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到300MHz，當芯片內部8個處理單元同時運行時，其最大處理能力可以達到2400MIPS。本數據采集處理系統(tǒng)采用TMS320C6211。

(2)以太網控制器MX98728EC

MX98728EC是一個通用的單片10／100M快速以太網控制器。通過它的主機總線接口，可以實現(xiàn)各種各樣的應用，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量，以降低系統(tǒng)的成本。MX98728EC的特點如下：

◇ 32位通用異步總線結構，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位打包緩沖數據寬度和32／16位主機總線數據寬度；

◇ 分離的TX和RX FIFO，支持全雙工模式，獨立的TX和RX通道；

◇ 豐富的片上寄存器，以支持各種各樣的網絡管理功能；

◇ 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；

◇ 自動設置網絡速度和協(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的內容。

(3) 系統(tǒng)結構

①ADC數據采集部分。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的數據由DSP寫入。掃描表的數據輸出對擬進行A／D轉換的模擬通道進行選擇和對儀表放大器進行增益選擇。ADC采用14位的LTCl416。32路模擬信號通過多路復用器，選擇其中1路信號，進入儀表放大器放大之后，進入ADC。ADC的轉換時鐘由DSP的定時器提供。

②DSP數據處理部分。ADC轉換后的14位數據通過FIPO進入DSP進行處理。FIFO采用4片CY7C425形成乒乓結構，以實現(xiàn)模擬信號的不間斷采樣。DSP擴展一片F(xiàn)lash存儲器，作為DSP的程序存儲器。另外，還擴展了一片SRAM，作為程序緩存，脫機運行時，DSP將Flash中的程序寫入SRAM，再寫入DSP內部RAM。CPLD2主要是用于控制FIFO的讀寫，并且提供以太網接口部分的控制信號。DSP系統(tǒng)中的數字信號處理算法重點實現(xiàn)濾波、采樣率變換、非線性修正和溫漂修正等。

③以太網接口部分。以太網主控芯片MX98728EC通過RJ45接口連接以太網，擴展一片SRAM作為以太網數據收發(fā)數據存儲器。EEPROM存儲以太網卡的MAC地址、I／O基地址、中斷線選擇等配置寄存器初始化數據。CPLD3通過DSP高位地址線的譯碼，控制以太網芯片的片選和提供以太網接口部分的復位信號等。DSP和以太網的接口部分硬件設計如圖3所示。

　　 

3 數據采集處理系統(tǒng)的軟件設計

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

本系統(tǒng)的軟件設計過程中，采用了TI基于C6000系列DSP的實時操作系統(tǒng)DSP／BIOS和DSP／BIOS提供的實時數據交換功能RTDX(Real-Time-Data-eXchange)。DSP／BIOS針對DSP的應用環(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、并行性和維護性等，有利于降低系統(tǒng)成本和縮短開發(fā)周期。運行于該操作系統(tǒng)之上的應用程序，在開發(fā)時間、軟件維護和升級等方面都有了極大的提高。實時數據交換RTDX是DSP／BIOS提供的一個全新功能。在很多應用中，要求DSP從主機中實時地讀取數據或者向主機實時地輸出數據，而不能夠停下來。

因為本系統(tǒng)的軟件結構較為復雜，涉及的算法較多，故應采用模塊化、由頂向下、逐步細化的結構化程序設計方法。這一方法可節(jié)省軟件工作量、提高工作效率。圖4為簡化的數據采集處理主程序流程圖。

　　 

結 語

實踐證明，根據以上方案設計的基于DSP和以太網的數據采集處理系統(tǒng)，可以很好地實現(xiàn)對模擬信號進行采集和處理的功能。在此基礎上，也可以作為基于DSP嵌入式系統(tǒng)和以太網的網絡測試平臺開發(fā)過程中重要的調試工具，從而加速把以太網集成到測試、采集和工業(yè)I／O儀器中的開發(fā)進程。