基于DSP的傅立叶变换光谱测量数据测控系统

2014-06-01

中国新技术新产品 2014年4期

（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100）

崔二兰王灵莉王旭柱

（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛 266100）

本文主要介绍了一种基于 USB2．0与DSP的双通道数据采集测控系统，该系统采用TMS320C6713B 作为核心处理芯片，CY7C68013A作为USB接口芯片。通过DSP内部的控制模块控制A/D、D/A的数据转换和USB的数据传输，并在DSP内部完成数据处理。在上位机平台Labwindows（CVI）上实现系统复位、DSP程序HPI引导以及数据处理结果的显示、存储和处理。

USB2．0；DSP；傅立叶变换光谱仪

数据采集技术是数字信号处理中非常重要的环节，现如今数据采集已经被广泛应用于各个领域。高速浮点型的DSP芯片恰好为高速度大吞吐量的数据采集系统提供了方便，使得系统能有较强的信号处理能力。RS232/RS485串行接口设计简单、价格低廉，但其不支持热插拔。USB2.0接口小巧灵活，支持即插即用，完善了多串口的开发，扩大了多串口卡的应用范围。本文介绍了一种基于DSP和USB2.0的双通道数据采集和实时处理系统，可广泛应用于信号获取、处理和分析系统中。

1 系统硬件结构设计

本系统主要包括三部分：数据采集部分、数据处理部分、结果显示部分。本系统以高速C6000系列的DSP处理芯片TMS320C6713B为核心，既包含了模拟信号的输入输出，同时也有数字信号的输入输出电路。模拟信号的转换由16位的ADS1605实现，多路信号的数据采集通过CPLD译码实现不同通道间的分时传输，DSP芯片处理后的数据由HPI接口传输到USB芯片，通过USB完成计算机和DSP之间数据的传输，实现信号处理结果的可视化。系统的总体框图如图1所示。

1.1 A/D转换电路设计

图 1 系统硬件总体框图

很多应用系统中，测控对象是模拟量，DSP芯片只能处理数字量，因此必须进行数字量和模拟量之间的转换。ADS1605是TI公司开发的高速、高精度的16位模数转换器。其采样速率为5MSPS，带宽为2.45MHz，倍频采样（2X模式）时，数据采样率能达到10MSPS。简易的并行数字输出数据接口可直接与数字信号处理器（DSPs）连接，方便用户接口设计。ADS1605独立的数字I/O电源设计使其可灵活地与其它逻辑芯片接口，其工作电压为+2.7V～+5.25V。

1.2 D/A转换电路设计

图2 DA转换电路

AD768是以电流方式输出的超高速的16位数模转换器，最高转换速率为40MHZ，有良好的直流和交流性能。根据数据手册的要求，满足基准电流IREFIN在1mA到7mA之间，当IREFIN为5mA时，AD768工作在最佳状态。AD768的输出电流IOUTA与参考电流IREFIN的关系式为：IOUTA=（DACCODE/65536）*（IREFIN*4），其中DACCODE是16位数字输入码，在0-65536间变化，当IREFIN为5mA时，IOUTA即在0-20mA之间。参考输出电压REFOUT为2.5V，在引脚 REFOUT和REFCOM之间接0.1uF的电容可达到去耦的目的。因为AD768的输出是电流型的，所以选择运放AD9631将电流转化为电压输出，DA转换电路原理图如图2所示。

1.3 USB接口电路设计

EZ-USB FX2芯片结构主要包括USB2.0收发器、串行接口引擎（SIE）、增强型8501、16KB的RAM、4KB的FIFO存储器、I/O口、数据总线、地址总线和通用可编程接口（GPIF）。本方案采用GPIF模式，由软件编程输出读写时的控制波形。图3说明了GPIF模式下FX2与外部功能部件之间的接口连接。

CYPRESS公司提供了波形编写器GPIF Designer，方便了用户编程。本方案使用CY7C68013A与DSP无缝连接，使用PB[7:0]和PD[7:0]作为16位数据总线连接HPI的HD[15:0]；PA2、PA3作为地址线选择HPIC、HPIA和HPID寄存器。CTL0连接HR/W控制数据读写；CTL2连接HHWIL选择字节；CTL1连接HDS2，HDS1、HAS固定接高电平，HCS接地，这样在HPI模块中共同产生HSTROBE信号来锁存控制信号，进行数据传输。当CTL1由高电平变为低电平时HSTROBE产生下降沿，此时会初始化HPI的读操作，同时锁存HPI的控制信号包括HHWIL、HR/W和HCNTL[1:0]。CLT1由低电平变为高电平时HSTROBE会产生上升沿，此时会初始化HPI的写操作，确定数据总线上的信号。RDY0连接HRDY，用来向主机插入等待状态。INT0连接HINT用于主机中断。

2 系统软件程序设计

2.1 DSP信号处理程序设计

DSP程序主要是实现数据采集的功能，参考光在经过干涉仪以后进入过零比较电路，这样参考信号就被转化为方波信号，利用参考信号的过零时刻作为采样点采样被测信号。DSP只有一个EMIF接口，这样就需要将两路信号分时传输输入DSP中。

2.2 USB程序设计

USB程序实现的功能包括初始化USB，在USB中端点6采用FIFO读的方式读取DSP内部RAM中的数据，端点2采用FIFO写的方式向DSP内部RAM中写入数据，在端点0中采用GPIF单字节写的方式向HPIA寄存器和HPIC寄存器写入数据。在固件编程框架[5]中包括一系列文件，其核心为以下内容：

图3 GPIF模式下FX2与外部功能部件的接口连接

Fw.c文件为固件框架源文件，功能是实现对USB请求的处理和调用分配器中的函数。

Gpif.c为GPIF波形描述表，通过GPIF Designer软件完成波形设计后生成，用来完成DSP与GPIF进行数据传输。

68013GPIF-to-6713-HPI.c为功能函数文件，含有用户自定义函数、初始化函数TD_Init（）和功能函数TD_Poll（），功能包括GPIF初始化、GPIF寄存器的读取、外部FIFO的操作和FIFO读写控制。在设计时需要向该文件中添加需要的代码，而无需更改Fw.c文件。

2.3 CPLD逻辑时序控制

本方案主要利用CPLD可编程逻辑器件完成逻辑时序的控制，主要实现以下方面的任务：

（1）实现通道1与通道2的切换，通过地址译码分别选通两通道ADC芯片的CE1、CE2片选信号。当AD的片选信号CE和RD均为低电平时，ADC输出的16位数据总线将由高阻态变为有效数据。

（2）为了匹配DSP的EMIF接口采样频率，对40M晶振时钟输入分频，为模数转换提供8M的时钟信号。

（3）通过CPLD的内部逻辑设计，实现对系统的软件复位。

（4）不明确的逻辑端口输入到CPLD，以防出错。

2.4 Labwindows上位机程序设计

使用虚拟仪器Labwindows（CVI）作为开发平台，完成对数据采集系统的控制，显示并保存DSP芯片处理后得到的频谱等波形图。界面主要控件功能为：打开/关闭设备、复位DSP、DSP程序HPI引导、接收并显示数据。打开设备要通过查找匹配的仪器句柄”USB0::0x04B4::0x8613::NI-VISA-0::RAW”来实现。上位机界面控件图如下图所示。