基于DSP和以太网的数据采集处理系统

智能
2024-10-28 13:09
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随着测试技术的不断发展进步，低功耗、高性能的DSP可取代通用单片机，用在数据采集处理系统中;以太网技术也正在数据采集、测试测量技术中发挥越来越大的作用。本文主要从软件、硬件出发，介绍一种基于DSP和以太网的数据采集处理系统的设计思路及实现。 1 基于以太网的数据采集处理系统由于生产和科研领域对测试的要求越来越高，所需测试和处理的数据量也越来越大，可能需要多个测试仪器同时进行处理，也可能需要在各测试仪器之间进行数据交换;而且，有些时候不适合工作人员亲临现场，这时就需要进行网络控制。以太网技术在数据采集处理系统中的应用如图1所示。

和现在使用于工业现场比较多的现场总线比较，以太网最大的特点是开发性好、成本低。通过把复杂的TCP/IP协议封装而提供的各种网络测试技术，使得网络测试的开发变得不再复杂;同时，网络测试带来的巨大效益，使得网络测试在测试自动化领域能够得到广泛的应用。以太网作为分布式测试的一个网络方案，其潜力无疑是巨大的。以太网接口和DSP微处理器的价格不断下降，使得以太网直接集成到基于DSP等嵌入式系统的测试、采集和工业I/O设备中成为一个越来越明显的趋势。基于以太网的I/O设备是将以太网接口直接嵌入到设备内部。所以一般来说，在网络进行数据采集时，可以有更小的设备体积，安装也更灵活。和一些现在使用于工业的通信方案比较，以太网方式通常需要更强大的微处理器和内存。而现在网络和计算机技术的发展，特别是DSP技术的应用，可以大大地降低这方面的成本。 2 数据采集处理系统的硬件设计该系统以TI公司的TMS320C6000（以下简称C6000）系列DSP中的TMS320C6211和10/100M自适应以太网控制芯片MX98728EC为核心，主要包括ADC数据采集、DSP数据处理和以太网接口三个部分。图2为数据采集处理系统框图。

（1）C6000系列DSP C6000是1997年美国TI公司推出的新一代高性能DSP芯片。这种芯片是属于定点、浮点兼容的D S P系列。其中定点系列是TMS320C62XX，浮点系列是TMS320C67XX。C6000片内有8个并行的处理单元，分为相同的两组。芯片的最高时钟频率可以达到300MHz，当芯片内部8个处理单元同时运行时，其最大处理能力可以达到2400MIPS。本数据采集处理系统采用TMS320C6211。（2）以太网MX98728EC MX98728EC是一个通用的单片10/100M快速以太网。通过它的主机总线接口，可以实现各种各样的应用，而不需要或者只需极少的外部控制逻辑。单片的解决方案可以减小电路板的尺寸和板上芯片的数量，以降低系统的成本。MX98728EC的特点如下： ◇ 32位通用异步总线MHz; ◇ 单片解决方案，集成了10/100M TP收发器; ◇ 可选的外部收发器MII接口; ◇ 完全兼容IEEE 802.3u协议; ◇ 支持16/8位打包缓冲数据宽度和32/16位主机总线数据宽度; ◇ 分离的TX和RX FIFO，支持全双工模式，独立的TX和RX通道; ◇ 丰富的片上寄存器，以支持各种各样的网络管理功能; ◇ 支持16/8位的用于打包缓冲器的SRAM接口，支持片上FIFO的突发DMA模式; ◇ 自动设置网络速度和协议的NWAY功能; ◇ 可选的EEPROM 配置，支持1Kb和4Kb的EEPROM 接口; ◇ 支持软件EEPROM 接口，方便升级EEPROM的内容。（3）系统结构 ①ADC数据采集部分。CPLDl由DSP提供时钟信号，主要作用是提供扫描表SRAM的地址。扫描表SRAM的数据由DSP写入。扫描表的数据输出对拟进行A/D转换的模拟通道进行选择和对仪表放大器进行增益选择。ADC采用14位的LTCl416。32路模拟信号通过多路复用器，选择其中1路信号，进入仪表放大器放大之后，进入ADC。ADC的转换时钟由DSP的定时器提供。 ②DSP数据处理部分。ADC转换后的14位数据通过FIPO进入DSP进行处理。FIFO采用4片CY7C425形成乒乓结构，以实现模拟信号的不间断采样。DSP扩展一片Flash存储器，作为DSP的程序存储器。另外，还扩展了一片SRAM，作为程序缓存，脱机运行时，DSP将Flash中的程序写入SRAM，再写入DSP内部RAM。CPLD2主要是用于控制FIFO的读写，并且提供以太网接口部分的控制信号。DSP系统中的数字信号处理算法重点实现滤波、采样率变换、非线性修正和温漂修正等。 ③以太网接口部分。以太网主控芯片MX98728EC通过RJ45接口连接以太网，扩展一片SRAM作为以太网数据收发数据存储器。EEPROM存储以太网卡的MAC地址、I/O基地址、中断线选择等配置寄存器初始化数据。CPLD3通过DSP高位地址线的译码，控制以太网芯片的片选和提供以太网接口部分的复位信号等。DSP和以太网的接口部分硬件设计如图3所示。

3 数据采集处理系统的软件设计 C6000系列DSP芯片的硬件资源为高性能提供了必要条件，应该充分利用这些硬件资源及开发工具，使代码达到所期望的性能。在DSP嵌入式系统的基础上，集成已经封装的TCP/IP协议栈，增加网络连接代码，这是软件编程时应该着重考虑的问题。因为DSP系统硬件及以太网协议的复杂性，本系统中的软件编程是一个关键的难点。本系统的软件设计过程中，采用了TI基于C6000系列DSP的实时操作系统DSP/BIOS和DSP/BIOS提供的实时数据交换功能RTDX（Real-Time-Data-eXchange）。DSP/BIOS针对DSP的应用环境，通过一系列的对象模块，向开发者提供了一个实用优秀的实时操作系统。它可以帮助用户提高软件的模块化、并行性和维护性等，有利于降低系统成本和缩短开发周期。运行于该操作系统之上的应用程序，在开发时间、软件维护和升级等方面都有了极大的提高。实时数据交换RTDX是DSP/BIOS提供的一个全新功能。在很多应用中，要求DSP从主机中实时地读取数据或者向主机实时地输出数据，而不能够停下来。因为本系统的软件结构较为复杂，涉及的算法较多，故应采用模块化、由顶向下、逐步细化的结构化程序设计方法。这一方法可节省软件工作量、提高工作效率。图4为简化的数据采集处理主程序流程图。