基于DSP的傅立葉變換光譜測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)

（中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

基于DSP的傅立葉變換光譜測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)

崔二蘭王靈莉王旭柱

（中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100）

本文主要介紹了一種基于 USB2．0與DSP的雙通道數(shù)據(jù)采集測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用TMS320C6713B 作為核心處理芯片，CY7C68013A作為USB接口芯片。通過(guò)DSP內(nèi)部的控制模塊控制A/D、D/A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和USB的數(shù)據(jù)傳輸，并在DSP內(nèi)部完成數(shù)據(jù)處理。在上位機(jī)平臺(tái)Labwindows（CVI）上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、DSP程序HPI引導(dǎo)以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示、存儲(chǔ)和處理。

USB2．0；DSP；傅立葉變換光譜儀

數(shù)據(jù)采集技術(shù)是數(shù)字信號(hào)處理中非常重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)如今數(shù)據(jù)采集已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。高速浮點(diǎn)型的DSP芯片恰好為高速度大吞吐量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了方便，使得系統(tǒng)能有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力。RS232/RS485串行接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但其不支持熱插拔。USB2.0接口小巧靈活，支持即插即用，完善了多串口的開(kāi)發(fā)，擴(kuò)大了多串口卡的應(yīng)用范圍。本文介紹了一種基于DSP和USB2.0的雙通道數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于信號(hào)獲取、處理和分析系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括三部分：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、結(jié)果顯示部分。本系統(tǒng)以高速C6000系列的DSP處理芯片TMS320C6713B為核心，既包含了模擬信號(hào)的輸入輸出，同時(shí)也有數(shù)字信號(hào)的輸入輸出電路。模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換由16位的ADS1605實(shí)現(xiàn)，多路信號(hào)的數(shù)據(jù)采集通過(guò)CPLD譯碼實(shí)現(xiàn)不同通道間的分時(shí)傳輸，DSP芯片處理后的數(shù)據(jù)由HPI接口傳輸?shù)経SB芯片，通過(guò)USB完成計(jì)算機(jī)和DSP之間數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理結(jié)果的可視化。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖 1 系統(tǒng)硬件總體框圖

很多應(yīng)用系統(tǒng)中，測(cè)控對(duì)象是模擬量，DSP芯片只能處理數(shù)字量，因此必須進(jìn)行數(shù)字量和模擬量之間的轉(zhuǎn)換。ADS1605是TI公司開(kāi)發(fā)的高速、高精度的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其采樣速率為5MSPS，帶寬為2.45MHz，倍頻采樣（2X模式）時(shí)，數(shù)據(jù)采樣率能達(dá)到10MSPS。簡(jiǎn)易的并行數(shù)字輸出數(shù)據(jù)接口可直接與數(shù)字信號(hào)處理器（DSPs）連接，方便用戶接口設(shè)計(jì)。ADS1605獨(dú)立的數(shù)字I/O電源設(shè)計(jì)使其可靈活地與其它邏輯芯片接口，其工作電壓為+2.7V～+5.25V。

1.2 D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2 DA轉(zhuǎn)換電路

AD768是以電流方式輸出的超高速的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速率為40MHZ，有良好的直流和交流性能。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求，滿足基準(zhǔn)電流IREFIN在1mA到7mA之間，當(dāng)IREFIN為5mA時(shí)，AD768工作在最佳狀態(tài)。AD768的輸出電流IOUTA與參考電流IREFIN的關(guān)系式為：IOUTA=（DACCODE/65536）*（IREFIN*4），其中DACCODE是16位數(shù)字輸入碼，在0-65536間變化，當(dāng)IREFIN為5mA時(shí)，IOUTA即在0-20mA之間。參考輸出電壓REFOUT為2.5V，在引腳 REFOUT和REFCOM之間接0.1uF的電容可達(dá)到去耦的目的。因?yàn)锳D768的輸出是電流型的，所以選擇 運(yùn)放AD9631將電流轉(zhuǎn)化為電壓輸出，DA轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖2所示。

1.3 USB接口電路設(shè)計(jì)

EZ-USB FX2芯片結(jié)構(gòu)主要包括USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、增 強(qiáng) 型8501、16KB的RAM、4KB的FIFO存儲(chǔ)器、I/O口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口（GPIF）。本方案采用GPIF模式，由軟件編程輸出讀寫時(shí)的控制波形。圖3說(shuō)明了GPIF模式下FX2與外部功能部件之間的接口連接。

CYPRESS公司提供了波形編寫器GPIF Designer，方便了用戶編程。本方案使用CY7C68013A與DSP無(wú)縫連接，使用PB[7:0]和PD[7:0]作為16位數(shù)據(jù)總線連接HPI的HD[15:0]；PA2、PA3作為地址線選擇HPIC、HPIA和HPID寄存器。CTL0連接HR/W控制數(shù)據(jù)讀寫；CTL2連接HHWIL選擇字節(jié)；CTL1連接HDS2，HDS1、HAS固定接高電平，HCS接地，這樣在HPI模塊中共同產(chǎn)生HSTROBE信號(hào)來(lái)鎖存控制信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)CTL1由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)HSTROBE產(chǎn)生下降沿，此時(shí)會(huì)初始化HPI的讀操作，同時(shí)鎖存HPI的控制信號(hào)包括HHWIL、HR/W和HCNTL[1:0]。CLT1由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)HSTROBE會(huì)產(chǎn)生上升沿，此時(shí)會(huì)初始化HPI的寫操作，確定數(shù)據(jù)總線上的信號(hào)。RDY0連接HRDY，用來(lái)向主機(jī)插入等待狀態(tài)。INT0連接HINT用于主機(jī)中斷。

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 DSP信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)

DSP程序主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，參考光在經(jīng)過(guò)干涉儀以后進(jìn)入過(guò)零比較電路，這樣參考信號(hào)就被轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，利用參考信號(hào)的過(guò)零時(shí)刻作為采樣點(diǎn)采樣被測(cè)信號(hào)。DSP只有一個(gè)EMIF接口，這樣就需要將兩路信號(hào)分時(shí)傳輸輸入DSP中。

2.2 USB程序設(shè)計(jì)

USB程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括初始化USB，在USB中端點(diǎn)6采用FIFO讀的方式讀取DSP內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)，端點(diǎn)2采用FIFO寫的方式向DSP內(nèi)部RAM中寫入數(shù)據(jù)，在端點(diǎn)0中采用GPIF單字節(jié)寫的方式向HPIA寄存器和HPIC寄存器寫入數(shù)據(jù)。在固件編程框架[5]中包括一系列文件，其核心為以下內(nèi)容：

圖3 GPIF模式下FX2與外部功能部件的接口連接

Fw.c文件為固件框架源文件，功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)USB請(qǐng)求的處理和調(diào)用分配器中的函數(shù)。

Gpif.c為GPIF波形描述表，通過(guò)GPIF Designer軟件完成波形設(shè)計(jì)后生成，用來(lái)完成DSP與GPIF進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

68013GPIF-to-6713-HPI.c為功能函數(shù)文件，含有用戶自定義函數(shù)、初始化函數(shù)TD_Init（）和功能函數(shù)TD_Poll（），功能包括GPIF初始化、GPIF寄存器的讀取、外部FIFO的操作和FIFO讀寫控制。在設(shè)計(jì)時(shí)需要向該文件中添加需要的代碼，而無(wú)需更改Fw.c文件。

2.3 CPLD邏輯時(shí)序控制

本方案主要利用CPLD可編程邏輯器件完成邏輯時(shí)序的控制，主要實(shí)現(xiàn)以下方面的任務(wù)：

（1）實(shí)現(xiàn)通道1與通道2的切換，通過(guò)地址譯碼分別選通兩通道ADC芯片的CE1、CE2片選信號(hào)。當(dāng)AD的片選信號(hào)CE和RD均為低電平時(shí)，ADC輸出的16位數(shù)據(jù)總線將由高阻態(tài)變?yōu)橛行?shù)據(jù)。

（2）為了匹配DSP的EMIF接口采樣頻率，對(duì)40M晶振時(shí)鐘輸入分頻，為模數(shù)轉(zhuǎn)換提供8M的時(shí)鐘信號(hào)。

（3）通過(guò)CPLD的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的軟件復(fù)位。

（4）不明確的邏輯端口輸入到CPLD，以防出錯(cuò)。

2.4 Labwindows上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

使用虛擬儀器Labwindows（CVI）作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，顯示并保存DSP芯片處理后得到的頻譜等波形圖。界面主要控件功能為：打開(kāi)/關(guān)閉設(shè)備、復(fù)位DSP、DSP程序HPI引導(dǎo)、接收并顯示數(shù)據(jù)。打開(kāi)設(shè)備要通過(guò)查找匹配的儀器句 柄”USB0::0x04B4::0x8613::NI-VISA-0::RAW”來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)界面控件圖如下圖所示。

圖4 上位機(jī)界面控件

結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了基于D SP的傅立葉變換光譜測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)，以高速浮點(diǎn)型的TMS320C6713為核心處理芯片，以USB為接口芯片，通過(guò)CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分模塊的邏輯時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和可視化。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)清晰明了，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，方便實(shí)用，USB接口更加提高了傳輸效率。

[1]Texas Instruments Incorporated．TMS320C6713B Data Book[R]．Revised June，2006．

[2]劉向宇．DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2009，07．

[3]Texas Instruments． ADS1605 Data Book．2007，05．

[4]薛園園．USB應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)大全[M]．北京∶人民郵電出版社，2007，08．

[5]薛園園，趙建領(lǐng)．USB應(yīng)用開(kāi)發(fā)寶典[M]．北京：人民郵電出版社，2011，03

TP31 < class="emphasis_bold"> 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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