基于Matlab和VC混合編程的DSP數據采集系統

前言

在開(kāi)發(fā)DSP數據采集和處理系統的過(guò)程中．通常需要采用DSP匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)一些復雜的算法(如FFT分析、相關(guān)分析等)，但是，實(shí)現這些算法的程序一般都很復雜，尤其需要圖形顯示時(shí)，程序的編寫(xiě)就更復雜了。此外，這些程序還將占用DSP的內存資源。Matlab提供了矩陣處理、數值計算、圖形顯示等強大功能，同時(shí)還帶有功能豐富的軟件工具箱．若能把Matlab的高效、便捷算法和圖形顯示工具應用于DSP數據采集和處理系統．即把采集到的數據上傳到Matlab平臺進(jìn)行相應的處理和圖形顯示．這樣．不僅減少了DSP的負荷和開(kāi)銷(xiāo)．而且還可以加快系統的研發(fā)進(jìn)度。

1 系統設計

基于Matlab平臺的DSP數據采集和處理系統的主要功能是：在Matlab平臺上控制底層DSP目標板進(jìn)行數據的采集和處理，并把采集到的數據上傳到Matlab平臺上進(jìn)行相應的數值處理和圖形顯示然后再把處理后的數據回傳給底層DSP目標板，完成后續任務(wù)。

1．1硬件結構

DSP數據采集系統主要由PC計算機、TMS320C6202 DSP目標板、AD16模塊、MOT模塊、數字I/O口和Timer模塊組成，如圖1所示。

①DSP目標板選用ll(Innovative Integration)公司M6x系列的TMS320C6202開(kāi)發(fā)板。DSP目標板通過(guò)計算機主板上的PCI插槽裝在計算機內部，DSP程序通過(guò)JTAG進(jìn)行在線(xiàn)調試：DSP目標板提供了許多動(dòng)態(tài)連接庫函數．可直接完成對目標板的底層操作，如Target_Open()--打開(kāi)目標板驅動(dòng)、iicoffld()--下載程序列DSP中、Target_Close()--關(guān)閉目標板驅動(dòng)等；

②A(yíng)D16是Ⅱ公司的16通道16位的數據采集模塊．雙端差動(dòng)輸入，輸入范圍是-10V至+10V，可同時(shí)采集16路外部模擬信號，采樣頻率為5~195KHz；

圖1系統硬件結構

③MOT是一個(gè)集成有4個(gè)16位DA轉換器的信號產(chǎn)生模塊，DA輸出電壓范圍是-10V到+10V．可輸出4路測試需要的模擬信號．DA轉換頻率最高可達200KHz：

④數字I/O模塊是一個(gè)32位數字I/O連接端口。系統可以通過(guò)這個(gè)數字I/O接口與外界進(jìn)行數字通信：

⑤Timer模塊提供了三個(gè)外部定時(shí)器，其定時(shí)參考時(shí)鐘可以是DSP目標板上的時(shí)鐘，也可以是外部提供的時(shí)鐘。其定時(shí)輸出信號可滿(mǎn)足系統測試的定時(shí)要求。

1．2軟件設計

圖2是DSP數據采集和處理系統的軟件設計模塊圖。其中：Matlab平臺主要完成對目標板的操作和控制，處理DSP目標板上傳的數據．再回傳給DSP目標板，并進(jìn)行圖形顯示。

圖2系統的軟件模塊圖

visual C++平臺作為Matlab與底層DSP目標板的連接中介，主要完成對DSP目標板的具體操作。由于DSP目標板自帶了對板卡進(jìn)行操作的動(dòng)態(tài)連接庫函數，因此在Vishal C++平臺中就可利用這些函數，完成對目標板的一些控制和操作。例如：用戶(hù)界面(圖4)上的Open按鈕就是在Visual C++中利用Target_Open()函數完成目標板驅動(dòng)的打開(kāi)。

DSP數據采集和處理程序主要控制AD16采集外界模擬信號，并經(jīng)過(guò)相應處理之后．上傳到Matlab平臺，然后再從Matlab平臺接收處理后的數據．控制MOT模塊輸出系統所需的模擬信號。完成一個(gè)完整的數據采集—數據處理一系統控制的全過(guò)程。

2 系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)

Matlab作為高級應用程序語(yǔ)言．并不能直接控制和操作所有的底層板卡。Matlab仿真模塊里面帶有一些可以直接控制和操作的DSP板卡．但是這些板卡都是一些固定型號的DSP板卡，而對用戶(hù)自行設計和其它一些型號的DSP板卡并沒(méi)提供這種功能．因此要實(shí)現在Matlab平臺上控制一般的DSP板卡進(jìn)行數據的采集和處理還必須借助中介軟件．這個(gè)中介軟件就是Visual C++。這樣便可實(shí)現Matlab與DSP底層板卡的無(wú)縫連接。具體技術(shù)包括：DSP目標板和主機的數據交換，Matlab與Visual C++的接口。

2．1 DSP目標板和豐機的數據交換

TI公司提供DSP與PC主機之間的實(shí)時(shí)數據傳輸技術(shù)RTDX(Real Time Data Exchange)協(xié)議．并在主機中提供了工業(yè)標準的目標連接與嵌入應用程序接口OLE API(Application Program Interface)．因而能方便地與符合OLE API標準的第三方軟件接口。實(shí)現與DSP的數據交換。完整的RTDX協(xié)議包含4個(gè)部分：主機應用程序、主機軟件庫、目標機軟件庫和目標機程序。圖3是實(shí)現計算機和DSP之間數據傳輸的關(guān)系圖。

圖3 RTDX數據傳輸關(guān)系

微軟公司(Microsoft)提供的Visual C++軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境封裝了，TI公司的RTDX協(xié)議，配合DSP程序可方便、實(shí)時(shí)地與Pc主機進(jìn)行數據通信。因此通過(guò)visual c++軟件就有可能實(shí)現在MATLAB平臺上完成對DSP數據采集和處理的控制。實(shí)現PC主機與DSP目標板的數據交換。

PC主機和DSP目標板通過(guò)RTDX協(xié)議實(shí)現數據交換需要在PC主機程序和DSP程序中定義同名的一條RTDX通道，數據通過(guò)該通道在PC主機和DSP目標板之間傳輸。PC主機程序和目標板上的DSP程序需要嚴格的配合，PC主機的讀操作和DSP目標板的寫(xiě)操作通過(guò)定義一個(gè)“寫(xiě)RTDX”通道實(shí)現：而PC主機的寫(xiě)操作與DSP目標板的讀操作通過(guò)定義一個(gè)“讀RTDX”通道實(shí)現．必須一一對應，這樣才能實(shí)現主機與DSP目標板的數據交換。

2．2 Matlab與Visual C++的接口

Matlab作為一種工具軟件．通常是不能直接控制DSP目標板。但是Matlab軟件為了擴充自身軟件的功能，提供了一種與其它開(kāi)發(fā)工具或開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行交互的應用程序接口 (API)。其中．MEX文件就是MATLAB軟件提供的一種與Visual c++溝通的接口文件。

在MEX文件中使用c語(yǔ)言編寫(xiě)以mexFunction (int nlhs，mxArray *nlhs[ ]，int nrhs，const mxArray * plhs[ ])函數為主函數的動(dòng)態(tài)連接庫程序(*.dll)．然后只需在Matlab命令提示符下鍵入此MEX文件名(*.dll)即可完成調用．這與Matlab的內建函數的調用方式完全相同。mexFunction函數中的參數說(shuō)明如下：

①int nlhs是左邊輸出參數的個(gè)數，即visual c++向Matlab傳遞的參數個(gè)數；

②mxArray *nlhs [ ]是左邊參數的數組。它是一個(gè)mxArray結構體類(lèi)型的指針數組．這個(gè)數組的元素按順序(nlhs[0]．nlhs[1]?)指向所有的輸出參數：

③int nrhs是右邊輸入參數的個(gè)數，即Matlab向VisualC++傳遞的參數個(gè)數；

④const mxArray *plhs [ ]是右邊參數的數組，它是一個(gè)mxArray結構體類(lèi)型的指針數組，這個(gè)數組的元素按順序(plhs[0],plhs[1]??)指向所有的輸入參數。

在MEX文件中．利用DSP目標板提供的動(dòng)態(tài)連接庫函數，編寫(xiě)對目標板進(jìn)行操作的動(dòng)態(tài)連接庫程序．然后在Matlab平臺上調用這些動(dòng)態(tài)連接庫函數既町實(shí)現Matlab和底層DSP目標板的無(wú)縫連接。

圖4系統測試結果

具體過(guò)程是：在Matlab平臺上．以傳遞參數的形式調用動(dòng)態(tài)連接庫程序。把需要傳送給DSP目標板處理的數據，通過(guò)mexFunction函數的右邊參數數組先傳送給動(dòng)態(tài)連接庫程序。然后通過(guò)Visual C++程序和DSP程序共同定義的“寫(xiě)RTDX通道”把數據傳送給DSP目標板：需要上傳到Matlab平臺的數據，首先被DSP應用程序寫(xiě)入到“讀RTDX通道”中．然后在Visual C++中的動(dòng)態(tài)連接庫程序讀取該R31DX通道中的數據，再經(jīng)過(guò)MexFunction函數的左邊參數數組把數據上傳到Matlab平臺。這樣．就實(shí)現了在Matlab平臺上控制和操作DSP目標板，并與之進(jìn)行數據交換。

圖4是按照上述方法編寫(xiě)的軟件界面和對系統進(jìn)行測試所得到的結果。

3 結束語(yǔ)

基于Matlab平臺的DSP數據采集和處理系統，在Matlab強大的數據分析和繪圖功能的基礎上，結合了Visual c++易于實(shí)現操作和控制的性能。改善了Matlab在控制底層板卡方面的不足。該系統的研究不僅是把Matlab應用于DSP數據采集和處理系統的一次嘗試．也為一些半實(shí)物仿真系統提供了新的思路。Matlab/Simulink本身就是一種功能強大的系統仿真工具，因此，如果能在該系統的基礎上把Matlat/Simulink的仿真功能添加上來(lái)。則可實(shí)現硬件在環(huán)的半實(shí)物仿真。相信Matlab豐富的函數庫和眾多的專(zhuān)業(yè)工具箱．必會(huì )為今后系統的完善以及擴展提供充分的條件。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：通過(guò)在Matlab平臺上直接控制DSP數據采集系統．把Matlab的優(yōu)良算法應用于系統中。簡(jiǎn)化了系統的數據處理過(guò)程。提高了，系統數據處理速度，縮短了系統設計周期，具有廣泛的應用前景。