基于DSP和光纜通信的遠程高速數據采集及處理系統的設計與應用

摘要：介紹一種以TMS320VC5402 DSP為核心處理器的高速遠程數據采集與處理系統。該系統以分時(shí)采集方式對多路模擬信號進(jìn)行數據采集，采樣率達40MHz。經(jīng)過(guò)高速處理器的實(shí)時(shí)處理，通過(guò)光纜將數據傳送到主控計算機端，作進(jìn)一步處理與分析。該系統可以廣泛應用于需要較高頻率遠程模擬信號的采集處理場(chǎng)合。 關(guān)鍵詞：遠程數據采集 DSP 光纖通信 信號處理 隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展，ＤＳＰ技術(shù)應用越來(lái)越廣泛。將ＤＳＰ技術(shù)應用于高速數據采集，可以對采集數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)將高速光纜通信技術(shù)應用于遠程數據采集的數據傳遞，能夠使采集的大量信號高速可靠地傳遞至主控計算機作進(jìn)一步的分析處理。本文介紹了一種使用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２作為處理器，用高速Ａ／Ｄ轉換芯片進(jìn)行數據采集與處理，使用光纜進(jìn)行數據通信的高速遠程數據采集板。將此采集板應用于油田超聲波測井系統，為探測油井下內壁、壁厚以及油井外固井水泥環(huán)的情況提供充分的數據基礎。 作為一個(gè)使用ＤＳＰ芯片作為處理器的遠程數據采集系統，不但要完成數據的采集工作，而且還要能夠對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后將數據傳遞至遠處控制端。同時(shí)，數據采集部分還要能夠接收遠端控制端發(fā)出的命令，及時(shí)對數據采集進(jìn)行總體上的控制。 此遠程數據采集系統需要完成的基本功能是：接收地面主控計算機發(fā)出的控制命令，自動(dòng)完成多路超聲波電信號的采集工作：將信號放大，濾波處理后數字化，經(jīng)過(guò)短暫存儲及初步處理，將數字化的超聲波信號分組，傳遞至地面主控計算機，供分析軟件進(jìn)行數據分析。
１ 系統硬件的設計
整個(gè)系統由數據采集和計算機控制卡兩部分組成。數據采集部分完成超聲波信號的放大、濾波、模數轉換以及處理和傳輸控制；計算機控制卡接收由數據采集卡經(jīng)過(guò)光纜傳遞的數據信號，送至計算機ＰＣＩ總線(xiàn)，由處理軟件進(jìn)行數據處理。ＰＣＩ控制卡經(jīng)過(guò)控制軟件向數據采集卡發(fā)送數據采集命令，使數據采集卡根據命令改變工作狀態(tài)。
１．１ 數據采集卡的硬件設計 圖１為數據采集卡部分的電路原理圖。由于數據采集板工作在惡劣的環(huán)境中，要求硬件電路保證完成盡可能多工作的同時(shí)，使用盡可能少的器件，以保證采集板能夠長(cháng)時(shí)間地穩定工作。 數據采集板的核心處理器是ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２。該芯片是ＴＩ公司ＴＭＳ３２０ＶＣ５４ｘ系列的ＤＳＰ芯片，是為實(shí)現低功耗、高性能而專(zhuān)門(mén)設計的定點(diǎn)ＤＳＰ芯片，主要應用在通信、數據采集等系統中。該芯片采用ＣＭＯＳ制造工藝，屬于第七代ＤＳＰ產(chǎn)品，它的工作頻率可以根據需要進(jìn)行調整。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２芯片內部不帶ＦＬＡＳＨ程序存儲器，因此，在采集板上要讓?zhuān)疲蹋粒樱却鎯ζ鞅４娉绦?。使用的芯片是ＳＳＴ３９ＶＦ４００Ａ。此芯片是Ｓｉｌｉｃｏ?Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ生產(chǎn)的２５６Ｋ字節的１６位ＦＬＡＳＨ存儲器。在電路啟動(dòng)時(shí)，由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２內部ＲＯＭ中的引導程序將存儲在ＦＬＡＳＨ中的工作程序轉移到ＳＲＡＭ中，提高程序運行效率，降低對外部ＲＯＭ的速度要求。這樣，不僅可以提高系統硬件的成本，而且可以提高系統的整體抗干擾性。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ ＤＳＰ芯片內帶１６Ｋ字節的ＲＡＭ，其中一部分用來(lái)運行程序，另外一部分可以用來(lái)存儲臨時(shí)數據，片內的ＲＡＭ存儲器不能滿(mǎn)足數據存儲容量的要求，因此在采集板上還要擴充一部分ＳＲＡＭ。此采集卡上使用的ＳＲＡＭ芯片為ＣＹ７Ｃ１０２１。此芯片是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生產(chǎn)的１６位６４Ｋ字節的靜態(tài)ＲＡＭ存儲器，采用ＣＭＯＳ工藝，具有自動(dòng)低功耗模式的功能，降低系統功耗，保證低散熱量。 Ａ／Ｄ轉換電路使用ＴＬＣ５５４０模數轉換芯片，這是ＴＩ公司的８位Ａ／Ｄ轉換器，它的最高轉換速率可以達到每秒４０兆字節。ＴＬＣ５５４０采用了一種改進(jìn)的半閃結構，使用ＣＭＯＳ工藝，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時(shí)，能夠保持低功耗，在推薦的工作條件下，其功耗僅為７５ｍＷ。使用ＴＬＣ５５４０進(jìn)行數據采集的控制信號由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２產(chǎn)生，采樣時(shí)鐘經(jīng)過(guò)５４０２的ＣＬＫＯＵＴ端口分頻得到。當采集卡進(jìn)行數據采集時(shí)，首先ＤＳＰ芯片選通要采集的模擬信號通路，將經(jīng)過(guò)處理的模擬信號送至ＴＬＣ５５４０的模擬輸入端口，然后ＤＳＰ芯片通過(guò)地址使能轉換芯片ＴＬＣ５５４０，控制轉換芯片進(jìn)行模數轉換，將模擬信號轉換為數據量，送至數據總線(xiàn)。由于ＴＬＣ５５４０是８位模數轉換芯片，因此只將８位數字信號送至數據總線(xiàn)的低８位上，由ＤＳＰ芯片進(jìn)一步處理。 遠程數據采集，采集端與控制端之間必須要使用高速通信電路，使得兩端能夠及時(shí)通信。在本采集系統中，為解決高速數據傳輸的問(wèn)題，選用了光纜進(jìn)行數據傳輸?，F代光通信技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使光纖通信的速率可以達到每秒鐘幾Ｇ比特，中繼距離也可達幾百千米，因此使用光纜進(jìn)行數據通信，無(wú)疑是解決高速率遠距離數據傳輸問(wèn)題的好方法。由于光纜本身的物理性質(zhì)，其自身比較脆弱，但是可以在光纖外面使用鋼纜或鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加固，使得光纜的外部物理特性大大增強，保障數據的可靠傳輸。 電氣電路和光纜之間的接口使用光端機，光端機的輸入輸出接口是串行通信接口，使用非平衡傳輸方式進(jìn)行數據輸入輸出。在ＤＳＰ芯片與光端機通信模塊之間，必須將總線(xiàn)上的并行數據串行化，轉換為串行數據，以便光端機進(jìn)行光通信。ＤＳＰ接收信號時(shí)必須將光端機輸出的串行信號反串行化，轉換為并行數據，進(jìn)行處理。光纜通信的速率比處理器的處理速率要高，因此，在串行器、反串行器和處理器的數據總線(xiàn)之間要加入先進(jìn)先出存儲器，將數據暫時(shí)存儲，等積累了一定數量的數據之后，由串行化器進(jìn)行發(fā)送或者處理器接收反串行化器送來(lái)的光纜上的數據。 在數據總線(xiàn)和串行化器／反串行化器之間加入ＦＩＦＯ，對于數據傳輸效率有很大的提高。ＩＤＴ７２Ｖ０２是ＩＤＴ公司生產(chǎn)的低電壓ＣＭＯＳ異步先進(jìn)先出存儲器，有１０２４%26;#215;９字節的存儲空間，可以保存１Ｋ的９位字節數據。在本設計中，數據總線(xiàn)上的數據為八位數據，因此只使用了ＦＩＦＯ中的低八位數據作為有效數據，第九位數據用作校驗位。串行化與反串行化芯片選用了ＴＩ公司的ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２，這兩個(gè)芯片是１０：１和１：１０串行化／反串行化芯片，并行數據可以在１０ＭＨｚ～４０ＭＨｚ時(shí)鐘下傳輸，相應的串行數據可以在１００ｂｐｓ～４００ｂｐｓ的速率下傳輸。ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２均能夠工作在低功耗方式下，不傳遞數據時(shí)，可以降低整個(gè)系統的功耗，輸出數據總線(xiàn)可以保持高阻抗狀態(tài)。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的通用Ｉ／Ｏ接口比較少，因此數據采集板上使用了一片ＣＰＬＤ作為通用Ｉ／Ｏ的擴展接口。ＤＳＰ芯片將Ａ／Ｄ轉換器、ＦＩＦＯ、串行化／反串行化器等器件都作為統一的外設，對每一外設進(jìn)行地址編碼。通過(guò)ＣＰＬＤ將ＤＳＰ的外設操作信號轉換為對具體芯片的控制信號。這樣在程序的效率以及整體電路工作的協(xié)調性上都有了很大的提高。
１．２ 地面ＰＣＩ總線(xiàn)控制卡的硬件設計 為了方便地面計算機對數據采集卡進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，高速接收數據，因此設計一塊ＰＣＩ卡，將從光纜送來(lái)的數據直接送至計算機的ＰＣＩ數據總線(xiàn)是一種高效且實(shí)用的方法。 光端機接收光纜傳遞的光信號，由反串行化器將串行數據轉換為并行數據，送至存儲器進(jìn)行暫時(shí)存儲，再將整個(gè)數據段送至計算機ＰＣＩ總線(xiàn)，由軟件進(jìn)行處理并存儲至硬盤(pán)。 ＰＣＩ卡的主要芯片為ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５２。該芯片在ＰＣＩ總線(xiàn)接口芯片市場(chǎng)有相當的份額，是在ＰＣＩ從模式接口設計卡中得到廣泛應用的接口芯片，可以提供用于適配卡的小型而高性能的ＰＣＩ總線(xiàn)目標，實(shí)現ＰＣＩ數據總線(xiàn)上的３３ＭＨｚ的數據傳輸。ＰＣＩ９０５２的主要特點(diǎn)有：
（１）進(jìn)行數據接收時(shí)，ＰＣＩ卡通過(guò)光端機接收由光纖送來(lái)的光信號，轉換為串行電信號由光端機接口送出，經(jīng)過(guò)ＳＮ６５ＬＶＤＳ１２１２反串行器轉換成并行信號，由控制器送入到ＦＩＦＯ中緩存。當接收完一個(gè)數據包后，由ＰＣＩ９０５２將數據包中的數據送到計算機ＰＣＩ總線(xiàn)，系統軟件將接收的數據進(jìn)行分析，并根據需要保存到硬盤(pán)。
（２）當計算機控制采集卡進(jìn)行數據采集時(shí)，計算機軟件向總線(xiàn)發(fā)出命令，ＰＣＩ卡接收到系統軟件送至ＰＣＩ總線(xiàn)上的數據后，轉送到串行器的數據總線(xiàn)上，將并行數據轉化為串行數據，經(jīng)光端機轉化為光信號，送至光纜向采集卡進(jìn)行傳輸。

２ 系統軟件的設計
遠程數據卡的實(shí)時(shí)系統控制軟件包括兩部分：采集卡上ＤＳＰ控制及數據處理軟件；上位機接收并處理ＤＳＰ發(fā)送來(lái)的數據的實(shí)時(shí)處理控制軟件。 固化在采集板上的ＤＳＰ處理程序是軟件部分的主體，程序主流程圖如圖２所示。 軟件采用模塊化的設計方法，其中包括采集卡的初始化、定時(shí)器處理、數據采集控制、數據處理,以及接收和發(fā)送數據幾個(gè)模塊。采集卡啟動(dòng)ＤＳＰ芯片首先通過(guò)ＢＯＯＴ ＬＯＡＤＥＲ程序將存儲在ＦＬＡＳＨ中的程序代碼轉移到ＲＡＭ中，高速運行程序。程序首先進(jìn)行初始化，然后由ＤＳＰ本身完成對數據的自動(dòng)采集，計算機并不參與采集的具體過(guò)程。采集后的數據暫時(shí)存儲在ＲＡＭ中，當采集到一定數量的一組數據，由ＤＳＰ芯片對數據根據需要進(jìn)行處理。例如，對信號進(jìn)行互相關(guān)、自相關(guān)、功率譜、互譜、壓縮算法等分析計算，減少傳輸過(guò)程以及上位機的負擔。經(jīng)過(guò)處理獲得數據，ＤＳＰ芯片將其按照一定的協(xié)議送至傳輸總線(xiàn)，控制串行化器通過(guò)光端機將其傳送至上位主機，以進(jìn)一步分析、處理數據。ＤＳＰ程序使用ＣＣＳ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)，編程語(yǔ)言使用Ｃ語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相結合的方法，程序整體使用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)以提高程序開(kāi)發(fā)周期。對于實(shí)時(shí)性要求強或比較復雜的算法，為提高ＤＳＰ代碼芯片的執行效率，使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。 上位機的軟件編寫(xiě)包括ＰＣＩ卡驅動(dòng)程序和應用程序兩部分。在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統下，普通用戶(hù)不能進(jìn)行直接讀寫(xiě)物理地址和讀取系統分配的資源信息的底層硬件操作，因此，在硬件設施完備的基礎上，編寫(xiě)ＰＣＩ接口卡的驅動(dòng)程序，是上位機工作軟件中的一個(gè)重要環(huán)節。使用Ｊｕｎｇｏ公司的Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)本ＰＣＩ卡的驅動(dòng)程序。該程序為一般的用戶(hù)應用程序提供了一個(gè)很好的底層硬件接口，對于實(shí)時(shí)性要求不很?chē)栏竦那闆r下，應用程序能夠直接對底層硬件進(jìn)行操作。由于本系統的數據采集工作完全由采集卡上的ＤＳＰ自動(dòng)控制完成，計算機對采集卡的控制只是一些工作方式的控制選擇，因此對于ＰＣＩ卡的時(shí)序要求并不十分嚴格，使用Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ開(kāi)發(fā)ＰＣＩ卡的驅動(dòng)程序完全可以滿(mǎn)足需要。 用戶(hù)應用程序使用高級語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ提供的接口，程序控制者可以利用對ＰＣＩ卡的操作向采集卡發(fā)出控制命令，同時(shí)接收ＰＣＩ卡送來(lái)的采集數據信息，對數據進(jìn)一步處理、存儲。
３ 試驗結果
在實(shí)際的油井測量實(shí)驗中，選用１ＭＨｚ的超聲波信號，對５．５英寸的套管井進(jìn)行測量，用１０ＭＨｚ的采樣率對超聲波信號進(jìn)行采樣。采集接收到的超聲波數據，計算機上得到的數據經(jīng)過(guò)轉換和處理，可以為超聲波測井提供充分的依據。如圖３所示。

４ 設計中需要注意的問(wèn)題
采集卡的設計過(guò)程中，主要問(wèn)題在于硬件電路的設計。ＤＳＰ芯片是高速數據處理芯片，外部總線(xiàn)的速率若達到４０ＭＨｚ，內部的時(shí)鐘則可以達到更高。因此設計上要充分考慮ＤＳＰ芯片引腳的外接方式和工藝特性。采集卡上有數字和模擬兩種信號系統，在設計時(shí)要將數字信號和模擬信號電氣上相互隔離，距離要盡量遠，減少兩種信號之間相互干擾。在每個(gè)元件的電源引腳附近都要加上一個(gè)小濾波電容，減小電源的不穩定因素。系統的電源設計要使用響應快、穩定性好、精度高的電源芯片，電源輸出加上大的濾波電容以提高整個(gè)電路板的穩定性。盡量選用貼片封裝的元件，減小元件本身散熱量的同時(shí)增加電路焊接的可靠性以及抗干擾性。元件分布版面設計時(shí)，元件在電路板上的質(zhì)量分布要均勻，以增加電路板的機械性能。 本文介紹了一種基于ＤＳＰ芯片、通過(guò)光纜進(jìn)行數據傳遞的高速遠程數據采集系統，設計了一套完整的遠程高速數據采集方案。該方案在強大的ＤＳＰ處理器控制下利用高速Ａ／Ｄ芯片完成多路模擬信號的分時(shí)采集工作，采集后的數據可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與高速傳輸。將該數據采集卡應用于油田超聲波測井系統，對超聲波測井信號進(jìn)行高速采集，送至計算機進(jìn)行數據分析處理，為測井工作提供了充足的數據基礎。