基于DSP 的高速信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一項(xiàng)基本的實(shí)用性技術(shù),已被廣泛地應(yīng)用于測(cè)量、檢測(cè)、控制、診斷等各個(gè)領(lǐng)域。隨著電子技術(shù), 計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展, 國(guó)內(nèi)外用數(shù)字信號(hào)處理的辦法檢測(cè), 采集, 分析, 處理各種數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種趨勢(shì),而運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的音頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,為現(xiàn)場(chǎng)狀況的預(yù)測(cè)提供精確的數(shù)據(jù)分析依據(jù),現(xiàn)己經(jīng)在故障檢測(cè)、災(zāi)害預(yù)防、軍事等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在鋁電解工業(yè)中,確認(rèn)電解槽的破損形式和部位時(shí)可利用其發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在鋁電解的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些特征頻率,如熔體循環(huán)流動(dòng)、界面波動(dòng)、陽(yáng)極氣體排出等等,也可以利用這些信號(hào)所傳達(dá)的信息實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)行故障預(yù)防。本設(shè)計(jì)的功能是采集鋁電解槽的20kHz 以下頻率信號(hào)即音頻信號(hào)緩沖存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)上傳到PC 機(jī)并且接收PC 機(jī)傳來(lái)的指揮信號(hào)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作頻率較低, 其信號(hào)處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及DS P , 但是它擁有豐富的接口, 本設(shè)計(jì)中用到了較多芯片, 其初始化控制協(xié)調(diào)運(yùn)行等需要較多的接口, 所以選擇單片機(jī)作為主機(jī)控制所有芯片。DSP 主頻為100MHz肯定達(dá)到處理要求,外擴(kuò)的64k SRAM 為語(yǔ)音濾波等算法提供了空間。在與PC 機(jī)的通訊中,DSP 沒(méi)有內(nèi)置任何通訊模塊, 單片機(jī)內(nèi)置了串口通訊, 但對(duì)于高速信號(hào)采集和遠(yuǎn)程采集控制來(lái)講串口顯然不符合要求,所以本設(shè)計(jì)采用了瑞立公司的網(wǎng)絡(luò)通訊芯片8019 通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)與PC 機(jī)進(jìn)行通信,它遵守TCP/IP 和UDP 協(xié)議,從而使該系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,理論上要求傳輸速度為96k*32 位*2 加開(kāi)銷(xiāo)大約為8M/s,五類(lèi)雙絞網(wǎng)線(xiàn)帶寬為10M,傳輸距離200 米,可以達(dá)到電解槽現(xiàn)場(chǎng)要求。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示,由單片機(jī)通過(guò)DSP 的主機(jī)接口HPI 控制DSP 的加載啟動(dòng)和復(fù)位, 單片機(jī)控制AD 模塊AIC23 的初始化和復(fù)位,同時(shí)也控制網(wǎng)絡(luò)通訊模塊8019 的上電復(fù)位,通過(guò)串口RS232 可以將程序下載到單片機(jī)中。DSP 則通過(guò)多通道緩沖串口McBSP 與AIC23 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊8019 與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,SRAM 則為DSP 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)都要通過(guò)CPLD 模塊進(jìn)行邏輯,如片選信號(hào), 地址譯碼信號(hào), 一部分復(fù)位信號(hào)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)和DS P 組成主從結(jié)構(gòu), 單片機(jī)為主機(jī),主要通過(guò)DSP 的HPI 外設(shè)對(duì)DSP 進(jìn)行控制,該外設(shè)包括HD[0-7] 八個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)和十個(gè)控制引腳,用單片機(jī)的P0 口連接DSP 的HD 口,P2 口連接需要控制的幾個(gè)控制引腳,這樣通過(guò)P0 口和P2 口,單片機(jī)就可以通過(guò)HPI實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP 的控制,事實(shí)上主要是上電復(fù)位的bootloader引導(dǎo)過(guò)程。單片機(jī)對(duì)DSP 的啟動(dòng)控制過(guò)程是首先上電發(fā)復(fù)位信號(hào),DSP 上電復(fù)位后30 個(gè)CPU 周期內(nèi)會(huì)首先檢查INT2 中斷標(biāo)志是否有效,將HPI 的HINT 引腳連接到INT2 上,這樣DSP 復(fù)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(duì)HPI 實(shí)現(xiàn)方式的確認(rèn)后向DSP 裝載程序,程序搬移完成后設(shè)置程序入口點(diǎn),這樣就實(shí)現(xiàn)了DSP 的啟動(dòng)。

2.2 DSP 與AIC23 的通信

DSP 與AIC23 間的通信是通過(guò)McBSP[6]口實(shí)現(xiàn)的,它是一個(gè)多通道多緩沖全雙工的串行通信接口,AIC23通過(guò)單片機(jī)配置可以實(shí)現(xiàn)8kHz-96kHz 的采樣率[4],根據(jù)采樣定理采樣率需要達(dá)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(hào))LRCOUT(發(fā)送幀同步信號(hào))相連接。因?yàn)檎麄€(gè)通信過(guò)程是由DSP 主導(dǎo)的,所以時(shí)鐘信號(hào)統(tǒng)一用BCLKX0(發(fā)送時(shí)鐘引腳),故而將BCLKX0 BCLKR0(接收時(shí)鐘引腳)以及AIC23 上的BCLK 相連。

2.3 DSP 與8019 的通信

對(duì)于DS P 來(lái)講, 8 0 1 9 好比一個(gè)片外存儲(chǔ)器, 所以DSP 對(duì)8019 的操作與對(duì)片外存儲(chǔ)器的操作相同,連接方法也與存儲(chǔ)器連接方法相同, 這里不再螯述, 事實(shí)上,8019 內(nèi)部存儲(chǔ)器分為三部分即控制寄存器和數(shù)據(jù)發(fā)送接收存儲(chǔ)器。