基于DSP+FPGA多通道單端／差分信號(hào)采集系統(tǒng)

在信號(hào)處理過程中，經(jīng)常采用DSP+FPGA協(xié)同處理的方法。是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/DSP">DSP雖然可以實(shí)現(xiàn)較高速率的信號(hào)采集，但其指令更適于實(shí)現(xiàn)算法而不是邏輯控制，其外部接口的通用性較差。而FPGA時(shí)鐘頻率高、內(nèi)部延時(shí)小，全部控制邏輯由硬件完成，速度快、效率高，適合于大數(shù)據(jù)量的傳輸控制，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路，在高速數(shù)據(jù)采集方面有著DSP以及單片機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，但缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的算法。因此，若采用DSP+FPGA協(xié)同處理的方法，便可以使DSP的高速處理能力與FPGA的高速、復(fù)雜的組合邏輯和時(shí)序邏輯控制能力相結(jié)合，達(dá)到互補(bǔ)，使系統(tǒng)發(fā)揮最佳性能。
在目前的信號(hào)采集及測試系統(tǒng)中，由于應(yīng)用背景的復(fù)雜，經(jīng)常需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采集，有的甚至需要對(duì)多路單端及差分信號(hào)進(jìn)行采集，在某些情況下，為測試分析的方便，還需要對(duì)采樣率進(jìn)行改變。文中介紹了一種采用DSP+FPGA協(xié)同處理的方法，并主要利用ADS8517這一A／D轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)多路可以選擇單端或差分輸入的信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能
該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)32個(gè)通道單端信號(hào)或16個(gè)通道差分信號(hào)的采集輸入，由DSP控制輸入信號(hào)是單端信號(hào)還是差分信號(hào)，以及各自使能輸入的通道，其中單端信號(hào)最多使能輸入32個(gè)通道，差分信號(hào)最多使能輸入16個(gè)通道。A／D在各個(gè)使能通道間采用類似時(shí)分復(fù)用的方法進(jìn)行輪尋采樣，A／D采樣頻率200 kHz，DSP可設(shè)置采樣率分頻值，對(duì)采樣率進(jìn)行改變，假如DSP設(shè)置采樣分頻值為D，使能輸入通道數(shù)為N，則每個(gè)通道實(shí)際采樣率為200 kHZ／(D·N)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)以上功能要求，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。其中DSP采用TI公司的TMS3206713B，F(xiàn)PGA采用Altera公司的CycloneIII系列，A ／D采用TI公司的ADS8517。ADS8517的主要性能：(1)16位分辨率；(2)采樣頻率：200 kHz；(3)模擬輸入范圍±10 V；(4)輸出有串行和并行兩種方式。

在整個(gè)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA根據(jù)DSP對(duì)各個(gè)通道是單端或者差分的設(shè)置，以及各個(gè)通道使能與否和采用率分頻值的設(shè)置，控制ADS8517以及多路選擇器，將A／D輸入的數(shù)據(jù)以及其對(duì)應(yīng)的通道存入一個(gè)FIFO中，當(dāng)FIFO半滿時(shí)向DSP發(fā)送中斷，由DSP讀取FIFO中A／D的采樣數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的通道號(hào)?？梢钥闯觯O(shè)計(jì)重點(diǎn)主要集中在多路選擇器的設(shè)計(jì)以及FPGA中硬件邏輯的設(shè)計(jì)。2．1 多路選擇模塊設(shè)計(jì)

2．2 FPGA部分的設(shè)計(jì)
由于DSP數(shù)據(jù)總線為32位雙向總線，所以在FPGA中需要設(shè)計(jì)一個(gè)總線的三態(tài)控制器，來控制總線的輸入輸出，這部分設(shè)計(jì)較簡單，模式相對(duì)固定，應(yīng)用已成熟。
對(duì)于DSP發(fā)出的各個(gè)通道單端／差分控制，各個(gè)通道使能控制以及采樣率分頻值設(shè)置這些控制信息，由在FPGA中開辟出的3個(gè)32位寄存器來存儲(chǔ)。通道單端／差分控制寄存器和通道使能寄存器的定義如表1和表2所示，采樣率分頻值設(shè)置寄存器中的32位無符號(hào)2進(jìn)制整數(shù)表示相應(yīng)的分頻值。

當(dāng)DSP的控制信息設(shè)置好以后，根據(jù)通道單端／差分控制寄存器以及通道使能控制寄存器中的內(nèi)容，建立一個(gè)使能通道索引表，索引表中字的個(gè)數(shù)等于使能的通道數(shù)，每一個(gè)字的字長為6位，依次將使能的通道號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制無符號(hào)數(shù)后放入表中各個(gè)字的低5位，每個(gè)字的高位記錄相應(yīng)的通道是單端還是差分，‘0’表示單端，‘1’表示差分。 設(shè)計(jì)采用ADS8517并行輸出的工作模式，按照圖3所示的并行輸出方式時(shí)序圖對(duì)其進(jìn)行控制，其中和BYTE信號(hào)為ADS8517的輸入控制信號(hào)，的下降沿表示一次采樣的開始，為高電平時(shí)表示可以讀取A／D的輸出數(shù)據(jù)，輸出為并行8位輸出，當(dāng)BYTE信號(hào)為低電平時(shí)輸出高8位，反之則輸出低8位，從而完成16位分辨率的輸出。為ADS8517輸出信號(hào)，為低電平時(shí)則表示本次A／D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，為高電平時(shí)表示本次轉(zhuǎn)換完成，因此當(dāng)和同時(shí)為高電平時(shí)，便可以讀取本次A／D采樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。