一種基于A/D和DSP的高速數(shù)據(jù)采集技術

中頻信號分為和差兩路，高速A／D與DSP組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要分別對這兩路信號進行采集。對于兩路數(shù)據(jù)采集電路，A／D與DSP的接口連接是一樣的。兩個A／D同時將和路與差路信號采樣，并分別送入兩個FIFO；DSP分時從兩個FIFO中讀出采集的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的采集。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成及原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由A／D、FIFO、CPLD以及數(shù)字信號處理板組成，圖1為采集系統(tǒng)的組成框圖。

系統(tǒng)中，和路和差路中頻信號都是模擬中頻信號，經過A／D 芯片將模擬信號變成數(shù)字信號，再經過FIFO芯片，將采集到的數(shù)據(jù)送人數(shù)字信號處理板。數(shù)字信號處理板中的處理器是DSP。DSP的數(shù)據(jù)線和2片F(xiàn)IFO的數(shù)據(jù)線連接，同時也和CPLD連接，地址線和CPLD連接。2片F(xiàn)IFO芯片的讀寫控制邏輯由1個CPLD進行控制。CPLD與上位機的數(shù)據(jù)線、地址線連接，數(shù)字信號處理板通過CPLD和上位機通信。

2 芯片的特點及選擇

2.1 AD6644高速模數(shù)轉換器

AD6644是一種單片式的高速、高性能的14位模／數(shù)轉換器，內含采樣保持電路和基準源。AD6644提供兼容3.3 V CMOS電平輸出；采樣速率最高可達65 Msps，一般采樣速率為40 Msps；信噪比典型值為74 dB，無雜散動態(tài)范圍SFDR為100 dB；功耗為1.3 W，輸入模擬帶寬可達250 MHz，溫度范圍為-25℃～+85℃。

AD6644采用三級子區(qū)式的轉換結構，既保證了精度又降低了功耗，其功能框圖如圖2所示。它的模擬信號輸入方式是差分結構，每個輸入的電壓以2.4 V為中心，上下范圍在0.55 V以內。由于兩個輸入的相位相差180°，所以AD6644的模擬輸入信號的最大峰一峰值為2.2 V。由圖2可以看出，差分模擬輸入端先經過緩沖后進入第一個采樣保持器(TH1)。當編碼時鐘為高時，TH1進入保持狀態(tài)。TH1內保持的值作為粗的5位ADC1的輸入。ADC1的數(shù)字輸出驅動一個5位數(shù)／模轉換器DAC1。DAC1要求具有通過激光校正的14位精度。延遲的模擬信號與DAC1的輸出相減，產生第一剩余信號，并送給采樣保持器TH3。采樣保持器TH2的作用是延遲，為補償ADC1的數(shù)字延時提供了模擬延時，使送入TH3的兩路信號同時到達。

第一剩余信號送人由5位ADC2，5位DAC2和通道TH4組成的第2轉換階段。第2個DAC要求具有校正的10位精度。TH5的輸入是通過由DAC2輸出與被TH4延遲第1個剩余信號而獲得的第2個剩余信號相減，TH4與TH2的作用相同。TH5驅動最后6位ADC3。ADC1、ADC2、ADC3的數(shù)字輸出總和與數(shù)字誤差校正邏輯一起產生最終的輸出數(shù)據(jù)，結果是14位二進制補碼編碼的并行數(shù)據(jù)。

2.2 TMS320C6713

本模塊的DSP芯片選用TI公司的浮點數(shù)字信號處理器TMS320C6713。TMS320C671 3內有8個并行的處理單元，分為相同的兩組。其體系結構采用超長指令字(VLIW，Very Long Instruction Word)結構，單指令長32位，8個指令組成一個指令包，總共字長為8×32=256位。芯片內部設置了專門的指令分配模塊，可以將每個256位的指令包同時分配到8個處理單元，并由8個單元同時運行。芯片的最高時鐘頻率達225 MHz，其最大處理能力可以達到1 800 MIPS。TMS320C6713的以上特點，保證了后端信號處理的實時性，能滿足本系統(tǒng)的性能要求。

2.3 FIFO存儲器IDT72V253

FIFO存儲器允許數(shù)據(jù)以不同的速率寫入和讀出，IDT72V253是一種高速的4 096字×18位的FIFO器件，如圖3所示。其最高頻率可達166 MHz，數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)讀出時間均為10 ns。當鎖入的字數(shù)超過4 096時，存儲器進人滿狀態(tài)。FIFO的狀態(tài)可通過時間和狀態(tài)位——滿(FF／IR)、空(EF／OR)、半滿(HF)、PAE和PAF來獲得。當存儲器滿時，F(xiàn)F／IR輸出為低電平；當存儲器為空時，EF／OR輸出為低電平。當FIFO存有不少于2 048字內容時，HF輸出為高。PAE和PAF狀態(tài)位是可編程狀態(tài)位。當寫使能端WEN電平變低時，待送入FIFO的數(shù)據(jù)在WCLK時鐘的同步下送人FIFO，當?shù)谝粋€字被寫入時，EF／OR引腳的電平變?yōu)楦唠娖?；當送入的?shù)據(jù)超過(n+1)(n為PAE的偏置值)個字時，可編程狀態(tài)位PAE變?yōu)楦唠娖?；當?D／2)+1(2 049)個字寫入時，HF引腳電平變低；隨著數(shù)據(jù)的繼續(xù)寫入，會引起PAF引腳電平變低。如果沒有數(shù)據(jù)讀出，當有(D—m)(4 096—m)個字寫入時，PAF引腳電平變低。當FIFO數(shù)據(jù)寫滿時(對于IDT72V253，就是寫入4 096個字)，F(xiàn)F／IR位變?yōu)榈碗娖?，阻止?shù)據(jù)的進一步寫入。當FIFO寫滿時，第一個讀操作將會引起FF位電平變高，后來的讀操作將會引起HF和PAF引腳電平變高。當FIFO里面只有n個字時，PAE引腳電平變低；當最后一個字從FIFO讀出時，EF引腳電平變低，阻止進一步的讀操作。

3 高速A／D轉換器與DSP的接口設計

3.1 接口設計

AD6644是14位模數(shù)轉換器，IDT72V253是18位FIFO，TMS320C6713 DSP的數(shù)據(jù)總線是32位，所以IDT72V253和TMS320C6713只需接低14位的D0～D13。由于FIFO的先入先出特殊結構，系統(tǒng)中不需要任何地址線的參與，大大簡化了電路。A／D采樣所得數(shù)據(jù)要實時送入FIFO，因此兩者的寫時鐘頻率必須一樣，且AD6644和IDT72V253的最小時鐘輸入都是10 ns，操作起來統(tǒng)一方便。CPLD選用Xilinx公司的xc95144xl-tql44，用它實現(xiàn)四二輸入與門，把TMS320C6713的通用緩沖串口(Mcbsp)中的DX、FSX配置為通用輸出口(GPlO)，對這個四二輸入與門的通斷進行控制，從而對A／D轉換器和FIFO的寫時鐘進行控制。由于外部FIFO占用著TMS320C6713的CE0空間，所以讀信號的邏輯關系為：R=CE0+ARE，TMS320C6713的CE0和ARE相“與”后與IDT72V253的RCLK相連，為FIFO提供讀時鐘(CE0和ARE相“與”由xc95144xl-tql44完成)。TMS320C6713的CLKX與IDT72V253的復位信號PRS相連用以復位FIFO。接口框圖如圖4所示。

3.2 時序設計

通過兩個“與”門分別對A／D轉換器和FIFO的寫時鐘進行控制，因為AD6644從模擬輸入開始到該次轉換的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出口上需要4個時鐘周期，并且在高速度采樣時導線的延時效果會非常明顯，若把A／D轉換器和FIFO的時鐘連在一起，很可能過多地采到無效數(shù)據(jù)。分開控制以后，通過軟件延時，可以方便地分別對A／D轉換器和FIFO的時鐘進行控制，調試起來相當方便，力圖把采到無效數(shù)據(jù)的位數(shù)減至最低。AD6644的工作時序如圖5所示，IDT72V253寫時序如圖6所示。

采樣時，通過程序使DX和FSX輸出為1。此時采樣脈沖與DX、FSX相“與”后被分別送人AD6644的時鐘輸入ENCODE和IDT72V253的寫時鐘輸入WCLK，A／D轉換器開始工作，且不斷將轉換數(shù)據(jù)送至自己的輸出口D0～D7。當寫使能WEN為低時，A／D轉換器輸出口上的數(shù)據(jù)在WCLK的上升沿被依次寫入FIFO。A／D轉換器和FIFO每來一次脈沖，便完成一次模數(shù)轉換并把數(shù)據(jù)順序存人FIF。使IDT72V253的LD為低、FSELO為高、FSEL1為高時，IDT72V253經過主復位后，偏移值n、m為默認值63，每個雷達回波脈沖采樣63個點后，存儲器幾乎滿標志PAF輸出低電平(在未到63時輸出高電平)。把此標示接到TMS320C6713的外部中斷INT0上，利用它由高到低的變化產生中斷，以表明一組數(shù)據(jù)采集完成。

在中斷中，DSP首先迅速關閉采樣脈沖信號(使DX和FSX的輸出為0)，停止A／D轉換器和F1FO的工作。TMS320C6713的CE0和ARE相“與”后與FIFO的讀輸入RCLK接在一起，DSP每執(zhí)行一次I／O讀操作，R=CE0十ARE便向RCLK發(fā)出一脈沖，把FIFO讀使能PEN置為低，同時連續(xù)執(zhí)行63次I／O讀操作，數(shù)據(jù)便依次從IDT72V253送入TMS320C6713，整個數(shù)據(jù)采集工作就此完成。在進行第二次數(shù)據(jù)的采集前，最好將IDT72V253先復位，把TMS320C6713通用緩沖串口的CLKX配置為通用輸出口，給IDT72V253的PRS引腳輸入一個不小于10 ns的低脈沖，即在DSP的CLKX引腳輸出一個低脈沖。這樣可以更充分地保證FIFO的讀、寫指針的穩(wěn)定。

3.3 軟件設計

軟件設計包括CPLD和DSP兩個部分。CPLD程序用VHDL語言編寫，實現(xiàn)簡單的邏輯轉換功能，程序設計比較簡單。DSP編程中有幾個關鍵步驟：外部中斷使能、時鐘送入A／D轉換器和FIFO、等待中斷、停止A／D轉換器和FIFO、采集數(shù)據(jù)、復位FIFO。整個軟件流程如圖7所示。

4 結 論

通過實際設計表明，在DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用FIFO器件作為A／D轉換器與DSP之間的橋梁，可以根據(jù)具體需要靈活設置FIFO的各個標志，使其具有很強的外部接口能力；并且通過軟件很容易調整A／D轉換器、FIFO和DSP的操作時序，增強了操作的靈活性，起到了很好的數(shù)據(jù)緩沖作用，保證了數(shù)據(jù)采集的安全可靠。系統(tǒng)硬件具有結構簡單、性能可靠的特點；軟件具有控制靈活、程序調試方便等優(yōu)點。