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基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)
摘要：介紹了一種基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。論述了數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的以太網(wǎng)應(yīng)用，介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，提出了基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的思路和實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：DSP 以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)采集 實(shí)時(shí)
隨著測試技術(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(jī)在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的地位；同時(shí)，以太網(wǎng)技術(shù)也在數(shù)據(jù)采集、測試測量技術(shù)中發(fā)揮越來越大的作用。本文從軟件、硬件出發(fā)，介紹一種基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)。
1 基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)
生產(chǎn)和科研領(lǐng)域?qū)y試的要求越來越高，所需測試和處理的數(shù)據(jù)量也越來越巨大，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(shù)據(jù)交換；而且測試領(lǐng)域也越來越廣泛，有些現(xiàn)場不適合工作人員親臨，這時(shí)就需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。以太網(wǎng)技術(shù)在數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖1所示。
與工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用比較多的現(xiàn)場總線比較，以太網(wǎng)最大的特點(diǎn)是開發(fā)性好、成本低。通過把復(fù)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)測試的開發(fā)變得不再復(fù)雜。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)測試帶來巨大效益，使網(wǎng)絡(luò)測試在測試自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以太網(wǎng)作為分布式測試的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)方案，其潛力無疑是巨大的。
圖1 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的以太網(wǎng)應(yīng)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(tǒng)的測試、采集、工業(yè)I/O設(shè)備中成為越來越明顯的趨勢�；谝蕴W(wǎng)的I/O設(shè)備是將以太網(wǎng)接口直接嵌入到設(shè)備內(nèi)部，所以使得設(shè)備更簡潔，體積更小，安裝也更靈活。和一些目前應(yīng)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(qiáng)大的微處理器和更大的內(nèi)存。而網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是DSP技術(shù)的應(yīng)用，可以大大降低這方面的成本。
2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)以TI公司的TMS320C6000系列DSP中的TMS320C6211和10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)控制芯片MX98728EC為核心，主要包括ADC數(shù)據(jù)采集、DSP數(shù)據(jù)處理和以太網(wǎng)接口三個(gè)部分。圖2為數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)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(nèi)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(dá)到300MHz。當(dāng)芯片仙部8個(gè)處理單元同時(shí)運(yùn)行時(shí)，其最大處理能力可以達(dá)到2400MIPs。本數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)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(dú)立的功能單元，包括6個(gè)32/40位的運(yùn)算器和2個(gè)16位的乘法器（32bit結(jié)果）
·32個(gè)32位通用寄存器
圖2 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖
·靈活自由的數(shù)據(jù)/程序定位，L1/L2存儲器結(jié)果：4K字節(jié)L1P程序Cache、4K字節(jié)的L1D數(shù)據(jù)Cache、64K字節(jié)L2通用RAM/Cache
·32位外部存儲器接口（EMIF）：對異步存儲器的無縫接口，如SRAM、EPROM；對同步存儲器的無縫接口，如SDRAM、SBSRAM；共512M字節(jié)外部存儲器可尋址空間
·增強(qiáng)的DMA（EDMA控制）：16個(gè)獨(dú)立通道
·兩個(gè)32位通用定時(shí)器
·支持JTAG邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)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，通過它的主機(jī)總線接口，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用，而不需要或者只需極少的外部控制邏輯。單片機(jī)的解決方案可以減小電路板的尺寸，減少板上芯片的數(shù)量，以降低系統(tǒng)的成本。MX98728EC的特點(diǎn)如下：
·32位通用異步總線結(jié)構(gòu)，支持頻率最高達(dá)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(shù)據(jù)寬度和32/16bit主機(jī)總線數(shù)據(jù)寬度
·分離的TX和RX FIFO，支持全雙工模式，獨(dú)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
·自動設(shè)置網(wǎng)絡(luò)速度和協(xié)議的NWAY功能
·可選的EEPROM設(shè)置，支持1kbit和4kbit的EEPROM接口
·支持軟件EEPROM接口，方便升級EEPROM的內(nèi)容
圖3 DSP和以太網(wǎng)接口部分硬件設(shè)計(jì)
2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.3.1 ADC數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)由DSP寫入。掃描表輸出的數(shù)據(jù)用來設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換的通道和儀表放大器的增益。ADC采用14位的LTC1416。32路模擬信號通過多路復(fù)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(zhuǎn)換時(shí)鐘由DSP的定時(shí)器提供。
2.3.2 DSP數(shù)據(jù)處理部分
ADC轉(zhuǎn)換后的14位數(shù)據(jù)通過FIFO進(jìn)入DSP進(jìn)行處理，F(xiàn)IFO采用4片CY7C425形成乒乓結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)模擬信號的不間斷采樣。DSP擴(kuò)展一片F(xiàn)lash Memory作為DSP的程序存儲器，另外還擴(kuò)展了一片SRAM作為程序緩存。脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，DSP將Flash中的程序?qū)懭隨RAM，再寫入DSP內(nèi)部RAM。CPLD2主要用于控制FIFO的讀寫，并且提供以太網(wǎng)接口部分的控制信號。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理算法主要實(shí)現(xiàn)濾波、采樣率變換、非線性修正、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RJ45接口連接以太網(wǎng)，擴(kuò)展一片SRAM作為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)存儲器，另外又?jǐn)U展一片EEPROM以存儲以太網(wǎng)卡的MAC地址、IO基地址、中斷線選擇等配置寄存器的初始化數(shù)據(jù)。CPLD3通過DSP高位地址線的譯碼控制以太網(wǎng)芯片的片選并提供以太網(wǎng)接口部分的復(fù)位信號等。DSP和以太網(wǎng)的接口部分硬件如圖3所示。
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3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件編程時(shí)應(yīng)該充分利用硬件資源及開發(fā)工具，使代碼達(dá)到所期望的性能，并且在DSP嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)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。由于DSP系統(tǒng)硬件以及以太網(wǎng)協(xié)議的復(fù)雜性，本系統(tǒng)中的軟件編程是一個(gè)難點(diǎn)。
在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，采用了TI公司的基于C6000系列DSP的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS以及DSP/BIOS提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能RTDX（Real-Time-Data-eXchange）。DSP/BIOS針對DSP的應(yīng)用環(huán)境，通過一系列的對象模塊向開發(fā)者提供了一個(gè)實(shí)用優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它可以壽命用戶提高軟件的模塊化程度、并行性和可維護(hù)性等，有利于降低系統(tǒng)成本和縮短開發(fā)周期，運(yùn)行于該操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序在開發(fā)時(shí)間、軟件維護(hù)、升級等方面都有了極大的提高。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換功能是DSP/BIOS提供的一個(gè)全新的功能。在很多應(yīng)用中要求DSP不停下來，而需要從主機(jī)中實(shí)時(shí)地讀取數(shù)據(jù)或者向主機(jī)實(shí)時(shí)地輸出數(shù)據(jù)。
因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及的算法較多，故應(yīng)采用模塊化、由頂向下、逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。這一方法可節(jié)省軟件工作量、提高工作效率。圖4為簡化的數(shù)據(jù)采集處理程序流程圖。
實(shí)踐證明，根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)基于DSP和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采集和處理。在此基礎(chǔ)上，也可以將其作為其于DSP和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)測試平臺開發(fā)過程中的調(diào)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儀器中的開發(fā)進(jìn)程。
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