基于DSP和以太網(wǎng)的數據采集處理系統

摘要：介紹了一種基于DSP和以太網(wǎng)的數據采集處理系統。論述了數據采集處理系統中的以太網(wǎng)應用，介紹了系統的硬件設計方案，提出了基于實(shí)時(shí)操作系統DSP/BIOS進(jìn)行軟件設計的思路和實(shí)現方法。

隨著(zhù)測試技術(shù)的不斷發(fā)展，低功耗、高性能的DSP逐漸取代了通用單片機在數據采集處理系統中的地位；同時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)也在數據采集、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想及實(shí)現。

1 基于以太網(wǎng)的數據采集處理系統

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)越巨大，有時(shí)需要多個(gè)測試儀器同時(shí)進(jìn)行測試，各測試儀器之間又需要進(jìn)行數據交換；而且測試領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，有些現場(chǎng)不適合工作人員親臨，這時(shí)就需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行控制。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。

與工業(yè)現場(chǎng)應用比較多的現場(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)議封裝而提供各種網(wǎng)絡(luò )測試技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò )測試的開(kāi)發(fā)變得不再復雜。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò )測試帶來(lái)巨大效益，使網(wǎng)絡(luò )測試在測試自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應用。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。

圖1 數據采集處理系統中的以太網(wǎng)應用

以太網(wǎng)接口控制器和DSP微處理器的價(jià)格不斷下降，使得將以太網(wǎng)直接集成到基于DSP等嵌入式系統的測試、采集、工業(yè)I/O設備中成為越來(lái)越明顯的趨勢�；�于以太網(wǎng)的I/O設備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入到設備內部，所以使得設備更簡(jiǎn)潔，體積更小，安裝也更靈活。和一些目前應用于工業(yè)的其它通信方案比較，以太網(wǎng)方式通常需要功能更強大的微處理器和更大的內存。而網(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。

2.1 TMS320C6000 DSP

TMS320C6000是美國TI公司于1997年推出的新一代高性能DSP芯片。這種芯片是定點(diǎn)、浮點(diǎn)兼容的DSP。其定點(diǎn)系列是TMS32C62XX，浮點(diǎn)系列是TMS320C67XX。TMS320C6000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。當芯片仙部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，其主要特別如下：

相±

·每個(gè)周期8條32位指令

·8個(gè)高度獨立的功能單元，包括6個(gè)32/40位的運算器和2個(gè)16位的乘法器（32bit結果）

·32個(gè)32位通用寄存器

圖2 數據采集處理系統框圖

·靈活自由的數據/程序定位，L1/L2存儲器結果：4K字節L1P程序Cache、4K字節的L1D數據Cache、64K字節L2通用RAM/Cache

·32位外部存儲器接口（EMIF）：對異步存儲器的無(wú)縫接口，如SRAM、EPROM；對同步存儲器的無(wú)縫接口，如SDRAM、SBSRAM；共512M字節外部存儲器可尋址空間

·增強的DMA（EDMA控制）：16個(gè)獨立通道

·兩個(gè)32位通用定時(shí)器

·支持JTAG邊界掃描標準，調試時(shí)可以方便可靠地控制DSP上面的所有資源

2.2 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。單片機的解決方案可以減小電路板的尺寸，減少板上芯片的數量，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，支持頻率最高達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16/8bit打包緩沖數據寬度和32/16bit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，支持各種各樣的網(wǎng)絡(luò )管理功能

·支持16/8bit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設置，支持1kbit和4kbit的EEPROM接口

·支持軟件EEPROM接口，方便升級EEPROM的內容

圖3 DSP和以太網(wǎng)接口部分硬件設計

2.3 系統結構

2.3.1 ADC數據采集部分

CPLD1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。掃描表輸出的數據用來(lái)設定A/D轉換的通道和儀表放大器的增益。ADC采用14位的LTC1416。32路模擬信號通過(guò)多路復用器后，其中一路信號被選中，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。

2.3.2 DSP數據處理部分

ADC轉換后的14位數據通過(guò)FIFO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 Memory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主要實(shí)現濾波、采樣率變換、非線(xiàn)性修正、溫漂修正等。

2.3.3 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)存儲器，另外又擴展一片E

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