基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求，采用TMS320VC5509為中心處理器，并對(duì)A／D轉(zhuǎn)換、電源及復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、JTAG仿真電路等外圍硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其能夠在高速采樣信號(hào)下，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，迭到系統(tǒng)對(duì)處理速度的要求，實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；定點(diǎn)DSP；數(shù)據(jù)采集；TMS320VC5509

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如今已被廣泛使用，涉及工業(yè)、商業(yè)、交通、信息等各個(gè)行業(yè)，而在眾多平臺(tái)中，DSP以其高速的運(yùn)行速度、良好的硬件結(jié)構(gòu)、適合運(yùn)算的硬件組成等一系列優(yōu)勢(shì)。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獨(dú)樹(shù)一幟，適合于數(shù)據(jù)高速、高精度的采集、處理等領(lǐng)域。
在一些領(lǐng)域中，系統(tǒng)要求速度快，實(shí)時(shí)性較好，數(shù)據(jù)處理精度高，本文以此為原則規(guī)劃了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體解決方案，采用TI公司出品的TMS320VC5509型DSP芯片+CPLD可控制邏輯作為系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)主要由4部分組成：DSP最小系統(tǒng)、CPLD模塊、信號(hào)調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、上位機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

其中，輸入的信號(hào)可以是各種形式，可以是音頻信號(hào)、編碼的數(shù)字信號(hào)、壓縮的圖像信號(hào)，也可以是各種傳感器輸出的信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)濾波、放大電路輸入到A／D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入到DSP中進(jìn)行計(jì)算和處理。
另外，DSP可與上位機(jī)進(jìn)行通訊、數(shù)據(jù)處理，還可以擴(kuò)展顯示器、鍵盤等外部設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更加方便的操作。
系統(tǒng)由DSP、電源及復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、EMIF總線接口和仿真接口等部分組成，另外可以再外接上CPLD、A／D、顯示器、HPI主機(jī)接口等外圍模塊，整個(gè)硬件系統(tǒng)便基本完成了。下面將對(duì)硬件的各個(gè)部分進(jìn)行選型。

1 DSP芯片的選型
DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇DSP芯片至關(guān)重要，只有選擇了合適的DSP才能進(jìn)行下一步的外圍電路設(shè)計(jì)，總的來(lái)說(shuō)，DSP芯片的選型是根據(jù)系統(tǒng)需要而確定，主要考慮處理速度、功耗、程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量、片內(nèi)的資源，如定時(shí)器的數(shù)量、I／O口數(shù)量、終端數(shù)量、DMA通道數(shù)等。
本文選取TI公司生產(chǎn)的DSP芯片，目前TI公司有3種系列的主流DSP芯片，分別為C2000，C5000，C6000系列，C2000系列的芯片一般應(yīng)用于控制領(lǐng)域；C5000系列是16位定點(diǎn)，速度為40～200 MIPS，可編程，低功耗和高性能的DSP，主要用于有線或無(wú)線通信等；C6000系列是高性能DSP。綜合了目前DSP性價(jià)比高，功耗低等一些優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。
綜上所述，可以選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509芯片作為本系統(tǒng)的DSP芯片。下面簡(jiǎn)單總結(jié)了TMS320CV5509芯片的主要特點(diǎn)：
1)TMS320VC5509型DSP是一款高性能、低功耗的定點(diǎn)DSP，它的內(nèi)部總線由1個(gè)程序總線、3個(gè)數(shù)據(jù)總線、兩個(gè)數(shù)據(jù)寫總線組成，這些總線使得DSP可以在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)讀3個(gè)數(shù)據(jù)和寫兩個(gè)數(shù)據(jù)的高性能。它的內(nèi)核電壓在時(shí)鐘頻率為200 MHz的時(shí)候?yàn)?．6 V，管腳電壓在2．7～3．3 V的范圍內(nèi)，較低的內(nèi)核電壓和管腳電壓實(shí)現(xiàn)了DSP的低功耗。
2)TMS320VC5509型DSP有豐富的片上外設(shè)功能，有雙通道10 bit的A／D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)可以訪問(wèn)異步存儲(chǔ)器和同步存儲(chǔ)器的外部存儲(chǔ)接口(EMIF)、3個(gè)多通道緩存串口(MCBSP)、USB接口、I2C接口、主從設(shè)備(HPI)接口等，豐富的外設(shè)和管腳為DSP的擴(kuò)展外圍設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備選型及設(shè)計(jì)
2．1 A／D轉(zhuǎn)換模塊
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A／D轉(zhuǎn)換模塊在系統(tǒng)中是最重要的一部分，它的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的好壞，選擇A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面：分辨率、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間及轉(zhuǎn)換器的價(jià)格等。
由于本文是針對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，故綜合考慮，選用TI公司的AD轉(zhuǎn)換芯片ADS5422。
ADS5422是14 bit的最高采樣頻率可達(dá)62 Msps的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，采用單-5 V電源供電，在采樣頻率為10 MHz時(shí)其最大動(dòng)態(tài)范圍為82 dB，最高信噪比達(dá)到72 dB，其數(shù)字量輸出可以直接和5 V或者3．3 V的CMOS芯片連接，模擬量輸入的峰峰值為4 V，可以直接輸入0．5～4．5 V的模擬量，封裝形式為64腳的扁平四方封裝。
AD可以接受3 V或者5 V的TTL或者CMOS電平。DSP可以為AD轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘信號(hào)，并且可以軟件設(shè)置輸入時(shí)鐘的各種特征量，包括時(shí)鐘頻率、高電平寬度等，基本上可以滿足AD5422對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的要求。