基于DSP 的高速信号采集系统设计

1 引言

数据采集技术是一项基本的实用性技术,已被广泛地应用于测量、检测、控制、诊断等各个领域。随着电子技术, 计算机技术和通信技术的迅猛发展, 国内外用数字信号处理的办法检测,采集, 分析, 处理各种数据已经成为一种趋势,而运用数字信号处理的方法对现场采集的音频信号进行实时分析,为现场状况的预测提供精确的数据分析依据,现己经在故障检测、灾害预防、军事等方面得到了广泛的应用。在铝电解工业中,确认电解槽的破损形式和部位时可利用其发出的信号进行检测。在铝电解的生产过程中会产生一些特征频率,如熔体循环流动、界面波动、阳极气体排出等等,也可以利用这些信号所传达的信息实时检测进行故障预防。本设计的功能是采集铝电解槽的20kHz 以下频率信号即音频信号缓冲存储并实时上传到PC 机并且接收PC 机传来的指挥信号。

2 系统总体结构设计

单片机工作频率较低, 其信号处理能力远远不及DS P , 但是它拥有丰富的接口, 本设计中用到了较多芯片, 其初始化控制协调运行等需要较多的接口, 所以选择单片机作为主机控制所有芯片。DSP主频为100MHz肯定达到处理要求,外扩的64k SRAM 为语音滤波等算法提供了空间。在与PC 机的通讯中,DSP没有内置任何通讯模块, 单片机内置了串口通讯, 但对于高速信号采集和远程采集控制来讲串口显然不符合要求,所以本设计采用了瑞立公司的网络通讯芯片8019 通过网线与PC 机进行通信,它遵守TCP/IP 和UDP 协议,从而使该系统可以通过网络进行远程控制,理论上要求传输速度为96k*32 位*2 加开销大约为8M/s,五类双绞网线带宽为10M,传输距离200 米,可以达到电解槽现场要求。

系统总体架构如图1 所示,由单片机通过DSP的主机接口HPI 控制DSP 的加载启动和复位, 单片机控制AD 模块AIC23 的初始化和复位,同时也控制网络通讯模块8019 的上电复位,通过串口RS232 可以将程序下载到单片机中。DSP 则通过多通道缓冲串口McBSP 与AIC23 进行数据交换,同时通过网络模块8019 与上位机进行数据通信,SRAM 则为DSP 的数据存储和处理提供了更广阔的空间。另外CPLD模块并未在图中表示出,所有需要逻辑的信号都要通过CPLD模块进行逻辑,如片选信号, 地址译码信号, 一部分复位信号等等。

系统总体架构图

图1 系统总体架构图

2.1 主从结构设计

系统由单片机和DS P 组成主从结构, 单片机为主机,主要通过DSP 的HPI 外设对DSP 进行控制,该外设包括HD[0-7] 八个数据线和十个控制引脚,用单片机的P0 口连接DSP 的HD 口,P2 口连接需要控制的几个控制引脚,这样通过P0 口和P2 口,单片机就可以通过HPI实现对DSP 的控制,事实上主要是上电复位的bootloader引导过程。单片机对DSP 的启动控制过程是首先上电发复位信号,DSP 上电复位后30 个CPU 周期内会首先检查INT2 中断标志是否有效,将HPI 的HINT 引脚连接到INT2 上,这样DSP 复位后HINT 的低电平使INT2有效,正好选择了HPI 模式,待DSP 完成了对HPI 实现方式的确认后向DSP 装载程序,程序搬移完成后设置程序入口点,这样就实现了DSP 的启动。

2.2 DSP 与AIC23 的通信

DSP 与AIC23 间的通信是通过McBSP[6]口实现的,它是一个多通道多缓冲全双工的串行通信接口,AIC23通过单片机配置可以实现8kHz-96kHz 的采样率[4],根据采样定理采样率需要达到40kHz 以上,将AIC23 配置为96kHz 的采样率。硬件连接方案如下:将DSP 的BDX0(发送串行数据)BDR0(接收串行数据)BFSX0(发送帧同步引脚)BFSR0(接收帧同步引脚)与AIC23 的DIN(接收串行数据)DOUT(发送串行数据)LRCIN(接收帧同步信号)LRCOUT(发送帧同步信号)相连接。因为整个通信过程是由DSP 主导的,所以时钟信号统一用BCLKX0(发送时钟引脚),故而将BCLKX0 BCLKR0(接收时钟引脚)以及AIC23 上的BCLK 相连。

2.3 DSP 与8019 的通信

对于DS P 来讲, 8 0 1 9 好比一个片外存储器, 所以DSP 对8019 的操作与对片外存储器的操作相同,连接方法也与存储器连接方法相同, 这里不再螯述, 事实上,8019 内部存储器分为三部分即控制寄存器和数据发送接收存储器。