基于DSP和以太網(wǎng)的數據采集處理系統

隨著(zhù)測試技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)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中；以太網(wǎng)技術(shù)也正在數據采集、測試測量技術(shù)中發(fā)揮越來(lái)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(wǎng)的數據采集處理系統的設計思路及實(shí)現。

1 基于以太網(wǎng)的數據采集處理系統

由于生產(chǎn)和科研領(lǐng)域對測試的要求越來(lái)越高，所需測試和處理的數據量也越來(lái)越大，可能需要多個(gè)測試儀器同時(shí)進(jìn)行處理，也可能需要在各測試儀器之間進(jìn)行數據交換；而且，有些時(shí)候不適合工作人員親臨現場(chǎng)，這時(shí)就需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )控制。以太網(wǎng)技術(shù)在數據采集處理系統中的應用如圖1所示。

　　 

和現在使用于工業(yè)現場(chǎng)比較多的現場(chǎng)總線(xiàn)比較，以太網(wǎng)最大的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)性好、成本低。通過(guò)把復雜的TCP／IP協(xié)議封裝而提供的各種網(wǎng)絡(luò )測試技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò )測試的開(kāi)發(fā)變得不再復雜；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )測試帶來(lái)的巨大效益，使得網(wǎng)絡(luò )測試在測試自動(dòng)化領(lǐng)域能夠得到廣泛的應用。以太網(wǎng)作為分布式測試的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )方案，其潛力無(wú)疑是巨大的。

以太網(wǎng)接口控制器和DSP微處理器的價(jià)格不斷下降，使得以太網(wǎng)直接集成到基于DSP等嵌入式系統的測試、采集和工業(yè)I／O設備中成為一個(gè)越來(lái)越明顯的趨勢?；谝蕴W(wǎng)的I／O設備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入到設備內部。所以一般來(lái)說(shuō)，在網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據采集時(shí)，可以有更小的設備體積，安裝也更靈活。和一些現在使用于工業(yè)的其它通信方案比較，以太網(wǎng)方式通常需要更強大的微處理器和內存。而現在網(wǎng)絡(luò )和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是DSP技術(shù)的應用，可以大大地降低這方面的成本。

2 數據采集處理系統的硬件設計

該系統以TI公司的TMS320C6000(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C6000)系列DSP中的TMS320C6211和10／100M自適應以太網(wǎng)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(wǎng)接口三個(gè)部分。圖2為數據采集處理系統框圖。

　　

圖2  數據采集處理系統框圖

(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(diǎn)、浮點(diǎn)兼容的D S P系列。其中定點(diǎn)系列是TMS320C62XX，浮點(diǎn)系列是TMS320C67XX。C6000片內有8個(gè)并行的處理單元，分為相同的兩組。芯片的最高時(shí)鐘頻率可以達到300MHz，當芯片內部8個(gè)處理單元同時(shí)運行時(shí)，其最大處理能力可以達到2400MIPS。本數據采集處理系統采用TMS320C6211。

(2)以太網(wǎng)控制器MX98728EC

MX98728EC是一個(gè)通用的單片10／100M快速以太網(wǎng)控制器。通過(guò)它的主機總線(xiàn)接口，可以實(shí)現各種各樣的應用，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，以降低系統的成本。MX98728EC的特點(diǎn)如下：

◇ 32位通用異步總線(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò )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(dòng)設置網(wǎng)絡(luò )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) 系統結構

①ADC數據采集部分。CPLDl由DSP提供時(shí)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(xiě)入。掃描表的數據輸出對擬進(jìn)行A／D轉換的模擬通道進(jìn)行選擇和對儀表放大器進(jìn)行增益選擇。ADC采用14位的LTCl416。32路模擬信號通過(guò)多路復用器，選擇其中1路信號，進(jìn)入儀表放大器放大之后，進(jìn)入ADC。ADC的轉換時(shí)鐘由DSP的定時(shí)器提供。

②DSP數據處理部分。ADC轉換后的14位數據通過(guò)FIPO進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。FIFO采用4片CY7C425形成乒乓結構，以實(shí)現模擬信號的不間斷采樣。DSP擴展一片Flash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(shí)，DSP將Flash中的程序寫(xiě)入SRAM，再寫(xiě)入DSP內部RAM。CPLD2主要是用于控制FIFO的讀寫(xiě)，并且提供以太網(wǎng)接口部分的控制信號。DSP系統中的數字信號處理算法重點(diǎn)實(shí)現濾波、采樣率變換、非線(xiàn)性修正和溫漂修正等。

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

　　 

3 數據采集處理系統的軟件設計

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(kāi)發(fā)工具，使代碼達到所期望的性能。在DSP嵌入式系統的基礎上，集成已經(jīng)封裝的TCP／IP協(xié)議棧，增加網(wǎng)絡(luò )連接代碼，這是軟件編程時(shí)應該著(zhù)重考慮的問(wèn)題。因為DSP系統硬件及以太網(wǎng)協(xié)議的復雜性，本系統中的軟件編程是一個(gè)關(guān)鍵的難點(diǎn)。

本系統的軟件設計過(guò)程中，采用了TI基于C6000系列DSP的實(shí)時(shí)操作系統DSP／BIOS和DSP／BIOS提供的實(shí)時(shí)數據交換功能RTDX(Real-Time-Data-eXchange)。DSP／BIOS針對DSP的應用環(huán)境，通過(guò)一系列的對象模塊，向開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)實(shí)用優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統。它可以幫助用戶(hù)提高軟件的模塊化、并行性和維護性等，有利于降低系統成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。運行于該操作系統之上的應用程序，在開(kāi)發(fā)時(shí)間、軟件維護和升級等方面都有了極大的提高。實(shí)時(shí)數據交換RTDX是DSP／BIOS提供的一個(gè)全新功能。在很多應用中，要求DSP從主機中實(shí)時(shí)地讀取數據或者向主機實(shí)時(shí)地輸出數據，而不能夠停下來(lái)。

因為本系統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。這一方法可節省軟件工作量、提高工作效率。圖4為簡(jiǎn)化的數據采集處理主程序流程圖。

　　 

結 語(yǔ)

實(shí)踐證明，根據以上方案設計的基于DSP和以太網(wǎng)的數據采集處理系統，可以很好地實(shí)現對模擬信號進(jìn)行采集和處理的功能。在此基礎上，也可以作為基于DSP嵌入式系統和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )測試平臺開(kāi)發(fā)過(guò)程中重要的調試工具，從而加速把以太網(wǎng)集成到測試、采集和工業(yè)I／O儀器中的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。