基于DSP的激光脉冲信号采集与串口通信方法研究

柴 源，孙翠翠，阮 鹏，张玉梅

（1．吉林师范大学 信息技术学院；2.吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000）

基于DSP的激光脉冲信号采集与串口通信方法研究

柴 源1，孙翠翠2，阮 鹏1，张玉梅2

（1．吉林师范大学 信息技术学院；2.吉林师范大学 物理学院，吉林 四平 136000）

本文主要利用DSP对脉冲信号进行采集与处理，并对DSP与上位机之间串口通信的方法进行了研究.以TMS320LF2407为数据采集的核心，利用其模数转换模块、数据存储模块完成数据的采集；通过串口通信模块实现DSP与上位机之间的数据传输.

数据采集；DSP；串口通信

1 引言

上世纪80年代，随着激光技术的诞生与飞速发展，激光技术广泛应用于医疗、工业、军事及国防等各个领域.尤其在军事国防领域，激光脉冲信号的数据采集与传输技术成为了普遍关注和研究的重点.若采用有效合理的数据处理系统，就能进一步提高脉冲信号采集及串口通信进行传输的速度，为后续的告警系统发出警告、启动相应的干扰和实施掩护措施提供即时准确的信息.由此可见，对激光脉冲信号的采集与数据处理、串口通信技术方法的深入研究，有着十分重要的意义.

2 DSP信号采集与串口通信系统设计

本文以TMS320LF2407作为数据采集的核心，对激光脉冲信号进行采集处理，将接收的激光脉冲信号，通过光电转换模块、DSP号采集处理模块、串口通信模块传送给上位机，完成对激光信号的数据采集与串口通信过程.图1为系统的整体框图.

图1 信号采集处理与串口通信系统框图

2.1 光电转化模块

光电转化模块作为信号处理的前置调理模块，主要负责将接收到的激光脉冲信号转换成电信号，并进行放大处理.

对高速脉冲信号的放大处理，一般都采用集成运算放大器[1].其优点主要是：（1）输入级是差分电路，可以有效减少温漂；（2）输入低电流状态可以获得高输入阻抗；（3）中间电压放大级采用有源负载的共发射极电路，增益大；（4）输出级为互补对称电路，输出功率大、输出电阻小；（5）偏置电路中各种电流源给各级电路提供合适的静态电流.

本文的激光脉冲信号前沿上升时间为5～6ns，放大器的带宽在60～70MHz，就可以满足系统的要求.放大电路采用AD8331集成运算放大器，对放大器GAIN引脚进行设定，设定电压为0.6V，可得到30dB的电压增益.同时，连接退耦电容来防止电源的纹波干扰.放大电路原理图如图2所示.

图2 放大电路原理图

图3 高速比较电路原理图

信号通过放大电路，信号幅值被放大，但因其脉宽窄，要想被DSP准确无误的采集到，需连接峰值保持电路，使信号的峰值保持时间满足系统采集所需要的最小时间.为了提高信号的准确度，进一步防止噪声所带来的误触发，在峰值保持电路后接一个高速比较电路，通过设定输入电压的范围，来滤除干扰信号.对于高速比较电路的选择，需要满足两个条件：（1）传输时间为纳秒级；（2）输出电压范围符合DSP外部中断所要求的电压值.出于对以上两点考虑，选择传输时间为4纳秒、输出电平为TTL电平的AD8612作为比较电路，电路图如图3所示.

采用AD8612最大优点是可以通过对电阻的设定，来调节输入电压的范围.从高速比较电路出来的信号，即为DSP的外部硬件中断信号.

2.2 DSP信号采集处理模块

TMS320LF2407DSP具有强大的内外片资源，放弃了传统单片机的冯.诺依曼结构，采用了程序存储总线和数据存储总线分开的哈佛结构[2].在数据采集系统中，主要用到了数据/程序存储模块、模数转换模块（ADC）、串口通信模块.数据采集系统的框图如图4所示.

图4 DSP数据采集系统硬件模块图

TMS320LF2407DSP的模数转换模块ADC的排序器可以选择单独的8个模拟转换通道，也可以选择2个排序器级联成16个模拟转换通道，这两种ADC排序器的工作方式比较如下表所示.

表1 两种ADC排序器工作方式对比

ADC模块的启动方式是DSP响应外部中断信号，或是通过查询I/O口初始信号来进行启动.因为需要采集的信号是脉冲信号，信号到来时间不固定，若采用I/O口查询初始信号方式来启动ADC模块，DSP的主要工作就都被查询I/O口是否有信号占用，处理其他工作的资源将被占用.相反，外部中断方式不需要DSP进行实时查询，只在有外部中断时进行响应，且中断结束后，不影响DSP继续之前的数据处理.从两种方式相互比较可以看出，中断方式可以更好地处理数据，不影响DSP的工作效率.当一个外设引起中断，则在DSP中与其对应的中断使能位就会被设置为1，从而向外设中断请求寄存器发出请求信号，使外设中断请求寄存器（PIRQR）相应位置1，并且为了方便CPU区分不同的外设中断请求，在中断向量寄存器（PIVR）中，分别加载中断向量，每中断向量对应唯一一个外设中断请求都.在中断控制寄存器里，PIRQR这个位信息被逻辑综合后，产生中断请求，CPU根据不同的中断向量，判断并响应中断.

通过对DSP模数转换模块ADC排序器及启动方式等分析比较，并且从尽量使信号采集系统结构简单明了，并降低系统成本角度考虑，TMS320LF2407DSP内部的ADC就可以满足系统要求[3].这里ADC排序器选择单8通道（SEQ1）排序器工作方式，由多路选择器选择6路模拟输入通道；中断选择外部电平上升沿触发方式，引脚XINT2/ADCSOC作为触发源，而其余的内部中断，都固定为边沿触发方式，它们与中断控制器的连接都由DSP的内部总线来完成.设外设中断寄存器XINT2中的位2=1时，与设定向量值相同，则响应外部中断请求，启动ADC模块进行数据采集，并且对每路信号进行多次采样，得到平均值.

数据采集完成后，需要将数据存入存储模块.对于系统来说，数据的传输量与数据的存储量都不大，因此DSP内部的存储模块满足数据存储要求，不需要外加存储器.存储模块中，每个存储单元与模拟信号输入是一一对应的.将逐次转换后的数据存入与其模拟通道相对应的结果寄存器中，即第N通道的转换结果，保存在结果寄存器RESULTn(N)中，以此类推.对于没有数据转换结果的通道，ADC在转换之前就会将其舍弃，保证转化效率.图5为ADC工作流程图.

图5 ADC进行模/数转换流程图

经过ADC转换后的数据虽然存储在与其相对应的结果寄存器RESULTn中，但RESULTn寄存器中的数据不能直接传输.此时，通过对DSP进行软件编程，将寄存在RESULTn中的数据提取出来，存放在系统随机产生的串口通信寄存器中，数据才能用于串口通信传输.

2.3 串口通信模块

TMS320LF2407DSP芯片本身的串行通信接口SCI模块，可编程、支持RS-232协议[4].只要异步外设使用的是标准格式，就支持CPU与其之间的数字通信.它的接收器和发送器分别有各自的使能位和中断位，并且是双缓冲的，可独立在双工模式下工作.无论是发送数据还是接收数据，可以借助中断驱动或通过查询来完成.SCI-RXD和SCI-TXD这两个引脚，是SCI模块外部的输入/输出引脚.当DSP发送数据时，发送数据缓冲寄存器SCITXBUF从CPU装载数据，将数据从发送引脚SCI-TXD发送出去；当接收数据时，接收引脚SCI-RXD将接收到的数据存放在数据缓冲寄存器(SCIRXBUF)中.SCI模块在检测串行通信接口工作状态的同时，对接收的数据进行奇偶性、间断性检测等检查，保证了数据的完整性.

由于DSP的SCIRXD、SCITXD两个引脚采用TTL电平，即在数据传输线TXD和RXD上，+3V～+15V代表逻辑“0”，-3V～-15V代表逻辑“1”；而RS-232标准中逻辑电平由正负电压来表示，因此，在DSP和上位机之间需加入一个硬件电路，使TTL电平和RS-232传输电平在接收和发送时能够进行相互转换，保证电平相匹配，才能进行串行通信.本文采用了功耗低、集成度高的MAX232作为RS-232接口电平与TTL电平的转换电路.并加入一个二极管和三个电阻这样的典型电平匹配电路，进行电平转换.MAX232是+5V供电，电平表示“1”，可将-3～－15V电平转化为逻辑“1”；供电电压0V时，电平表示“0”，可将＋3～＋15V电平转化为逻辑“0”，简化了外围接口电路，提高了可靠性.串行通信接口电路的原理图如图6所示.

图6 串行通信接口电路的硬件电路图

2.4 DSP与上位机串行通信的软件设计

DSP与上位机进行接收数据/发送数据通信前，需要对SCI串行模块进行初始化，并且对波特率、停止位、奇偶校验位等进行设置，且保证设置与PC机上的设置相一致，才能保证通信的正常进行[5,6].当需要发送数据时，DSP通过微控制器控制数据发送过程；与DSP发送数据时所具有的主动性不同，DSP接收数据时则具有随机性，每接收一个字节数据存储到SCIRXBUF寄存器中，DSP要想继续接收数据，必须及时将之前存入SCIRXBUF寄存器中的数据取走，才能继续数据接收工作.DSP在接收上位机所发总的数据指令时，同样也具有两种接收方式：查询方式和中断方式.查询方式需要设定程序，以循环检测方式实时检测端口是否接收到数据，在串行口和接口电路之间交换数据信息、状态信息和控制信息，严重影响DSP的利用率；而中断方式同样也不需要实时查询，并且不影响主程序的运行，可有效的减少片内资源损耗，有助于系统通信实用性的提高.根据以上分析，DSP发送数据时，通过在程序中设置发送标志位，并查询标志位是否成立，如果成立则DSP调用函数，发送给上位机接收；发送流程图如图7所示.上位机发送数据，DSP接收采用中断方式，响应中断服务程序来接收数据，接收流程图如图8所示.

采用函数调用和系统中断方式进行串口通信，不仅提高了DSP的工作效率，使数据及时可靠的传递，还可以为DSP后续工作节省资源，方便数据管理及调整监控，有利于系统的进一步开发与利用.DSP整体电路原理图如图9所示.

图7 DSP串行通信发送流程图

图8 串行通信接收流程图

图9 DSP部分电路图

3 结论

本文主要对激光脉冲信号采集与串口通信的方法进行了主要研究，通过对系统的软硬件设计，利用DSP对数据进行了接收处理，及DSP与上位机之间的数据交换，并进行了初步调试.与传统单片机相比，系统结构简单、稳定性好、数据处理快速、程序设定简易，为今后系统进一步提高信号的准确度，设计抗干扰滤波方法及人机交互界面的研究打下了基础.

〔1〕赵保经.集成运算放大器[M].北京：国防工业出报社，2003.134～140.

〔2〕刘和平.TMS320LF240xDSP结构、原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.24～30.

〔3〕顾群楠，殷德奎.基于TMS320LF2407A的高速高精度数据采集系统[J].科学技术与工程，2005(6)：105～108.

〔4〕刘乐善，欧阳星明，刘学清.微型计算机接口技术及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.207～225.

〔5〕郭京蕾，吴勇.DSP和PC机的串行通信[J].计算机工程与设计，2004(3)：475～477.

〔6〕柳爱美，成小明，罗安.DSP与上位机之间数据通信的研究与应用[J].微计算机信息，2002(8)：54～55.

TP274.2

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1673-260X（2016）12-0030-03

2016-09-07