（通信与信息系统专业论文）基于dsp实现光纤信号高速采集与处理系统的研究.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t r e a l - t i m e n e t w o r k s e n s i n g d e t e c t i o n c a n b e a p p l i e d i n t r a n s f e r r i n g o i l p i p e l i n e , d e t e c t in g b r i d g e , u n d e r w a t e r e x p l o r a t i o n a n d m a n y m i l i t a ry p u r p o s e s . d i s t r i b u t e d d e t e c t io n w i t h m u l t i f a c t o r a n d m u l t i f u n c t i o n h a s b e e n t h e o b j e c t i v e o f s t u d y , o f w h i c h t h e p r i n c i p l e a n d r e a l i z a t i o n o f d i s t r i b u t e d d e t e c t i o n i s t h e e s s e n t i a l p a r t . t h i s p a p e r i s f o c u s e d o n d i s t r i b u t e d v i b r a t io n d e t e c t i o n . t h i s d i s t r i b u t e d o p t i c a l v ib r a t i o n m e a s u r e m e n t s y s t e m u s e s a d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r a s t h e e m b e d d e d s i g n a l p r o c e s s i n g u n it t o c o l l e c t t h e h i g h - s p e e d d a t a , r e m o v e t h e n o i s e a n d i n t e r f e r e n c e a n d d e m o d u l a t e t h e m o n i t o r i n g d a t a fr o m t h e h o s t c o m p u t e r . t h i s p a p e r a n al y z e s t h e mo d e l b a s e d o n t h e r e l a t i o n b e t w e e n r e fl e c t e d f i b e r b r a g g g r a t i n g s i g n al a n d v i b r a t i n g i n t e n s it y a n d d e s c r i b e s t h e r e l a t i o n s h i p w it h m a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o n . t h e mo d e l e s t a b l i s h e s t h e t h e o ry b a s i s o f t h e s y s t e m r e al i z a t i o n . t h i s p a p e r d o e s s o m e r e s e a r c h a b o u t t h e p h e n o m e n o n t h a t s i g n a l i n t e n s i t y d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e d i s t a n c e a n d p u t s f o r w a r d a n e w me t h o d d e al i n g w i t h t h e p r o b l e m b y u s e o f t h e s t a t i s t i c a l p r o p e r ty o f t h e n o i s e . b e c a u s e t h e s i g n a l a m o u n t i s l a r g e a n d t h e a n a l y z e d d a t a i s b a s e d o n fr e q u e n c y f i e l d , t h e f f t o f t h e s e d a t a b e c o me s v e ry c o m p l i c a t e d . t h e s i g n a l p r o c e s s m o d e l b a s e d o n wi n o g r a d a r it h me t i c s o lv e s t h e p r o b l e m. t h i s p a p e r o ff e r s d e t a i l e d d i s c u s s o n s o f t w a r e a n d h a r d w a re t e s t , a n d a c h i e v e s t h e r e al i z a t i o n o f t h e s y s t e m al o n g w i t h t h e v i b r a t i n g f i b e r b r a g g s i g n a l p r o c e s s t h e o ry . i n t h e f i n a l , t h e p a p e r a n a l y z e s t h e u s e o f e d m a a n d u s b w h i c h i s p a r t l y a p p l i e d i n t h e s y s t e m . k e y w o r d s : c o l l e c t h i g h - s p e e d d a t a f f t wi n o g r a d a r i t h m e t i c e d ma 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定， 同意如下各项内 容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、 缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学 校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文 全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门 或者机构送交论文的复印件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下， 学校可以 适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名: 年月日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间: 年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部5 年( 最 t : .-,年 ， p 少 于 5 年 ) _ 秘 a * i o 年i a,l i o 年 ， 可 少 子t o 年 ) 机密*2 n 年 最长2 ( i 年， 可少 于? c 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学 位论文， 是本人在导 师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除 文中己经注明引 用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的 研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已 在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法 律责任 由 本人承担。 学 位论文作者签名: 年月日 第一章引言 第一章引言 第一节本文提出的 背景 从低损光纤问 世以 来，光纤通信技术发 展迅速， 并且己投入 使用. 与此同 时，光纤传感技术也在迅速发展。光纤传感由于具有本质安全，电绝缘性好， 便 于连网 等一 系列优点，因 而受到国内 外专 家学者广泛的重视。 我国 从8 0 年代 初 就己 开展对它的 研究， 至今己 有近二十多 年的历史 n 光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，由于它具有许多独 特的优点，因而在光纤通信、光纤传感等领域都有广阔的应用前景。随着光纤 光栅制 造技术的 不断完善，应用成果的日 益 增加， 使得光纤光栅己 成为目 前 最 具有发展 前途， 最具代表性的光纤无源器件 之一。 光纤光栅的出现，使许多复 杂的全光通信和光纤传感网络成为可能，极大地拓宽了光纤技术的应用范围。 在石 油管道传输、 桥梁检测、水下探测以 及众多军事应用领域，实现多参 数、多功能、 分布式的实时、网 络型传感检 测一直是人们追逐的研究目 标，其 中的分布式检测的原理和实现是研究的核心内容之一，本文以分布式振动检测 作为主要的 研究 对象。我们在近年来对光纤光栅 传感研究取得重要进展的基础 上，设计了一 套基于新颖的、 先进的分布式光纤振动测量技术的系统。分布式 光纤振动测量系统是一种用于实时测量空间振动分布的传感器系统。它利用同 一根光纤作为振动信息的传感和传导介质，利用激光千涉对测量点进行定位和 振动情况分析。由于系统具有安 全性和抗腐蚀、耐高压、抗电 磁干扰、能快速 多点测量并定位等优点，应用领域十分广泛。国内一般都采用高速瞬态记录仪 或高速数 据采集卡与微型计算机相结 合的 上、 下位机方式实 现( 2 ) ( 3 (4 ) 5 ) 6 1 7 3 本文提出的分布式光纤振动测量系统以d s p为核心构成嵌入式信号处理单 元，对光纤光栅信号实时采集，有效地去除噪声和干扰，并能够直接在主机中 快速准确地解调出振动监控数据。 第二节数据采集系 统的国内 外研究与发展现状 第一章引言 数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量系统，其功能是把模拟信 号转换为数字信号，并将数字信号送入计算机或者嵌入式信号处理系统，根据 不同的需求进行相应的计算和分析处理.处理器对数据分析的同时可以将系统 所关心的数据进行显示和存储，实现对某些物理量的监视，诸如:温度、压力、 应变等。 同时在某些应用中 还可以 利用部分数据作为系 统的反馈 控制量。为了 准确的得到被测对象的 物理特性， 我们需要通过各种测量手 段得到多种不同属 性的 测量结 果。 这些测量结果都为 原始数据， 如果不加以任 何分析 就交付使用， 则 这些数据没有任何意义。因 为这些数据中存在着各式各样的误差和干扰，且 采 集到的 数据通常数据量都很 大， 用户很难从这些数据中找到需要的结果。 一 般 情况下， 是要将这些数据通 过处理和分析得到物理意义明确的数据形式。 总 之， 数据采集和处理是信息处 理科研工作中 重要的且必不可少的环节， 数据采 集 和处理的优劣 直接影响整 个分析系统的 工作的效果 n i n i i 1 0 l i i 数据采集与处理一直是生产实践 研究与 应用领域的一个热点和难点。随 着 微电 子制 造工艺 水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟，目 前国 内 外对数 据采集系统的高性能 方面的研究上取 得了很 大的 成就。 就 a i d转换的 精 度 、 速 度 和 通 道数 来 说， 、采 样 通 道由 单 通 道 发 展 到 双 通 道、 多 通 道， 采样 频 率、 分辨率、精度逐步提高， 为分析功能的加强提供了 前提条 件。而 在数据分 析的微处 理器上，最初的 数据 采集系统以 s 位单片 机为核 心， 随着微电子技术 的不断发展，新兴单片机的不断问世，十六位、三十二位单片机也为数据采集 系统研制 厂家所采用， 近来采用具 有 d s p功能的数据采集系统也已 投入市 场。 同时， 通用 p c机的 c p u用于数据处理也较为常见。 总之， 伴随着高性能微 处理器的采用和用户技术要求的不断提高，数据采集系统的功能也越来越完善。 数据采集系统的发展主要体现在以下几个趋势: 首先，基于 p c 计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。在过去的二 十年中， 开放式架构 p c机的处理能力平 均每十 八个月就增强 一倍。 为了充分 利用处 理器速 度的发展， 现代开放式 测量平台结合了 高速总线接口， 如 p c i 和 u s b 2 . 0 ，以便获得性能的进一步 提升。 计算机的 性能提升和由 此引 起的基于计 算机的 测量技术的创新， 正在持续不断地消除传统仪器和基于计算机的测量仪 器之间的差异。 其次， 采用嵌入式微处理器的 方案也由 早期的采用 a / d器件和标准单片机 组成应用系统 发展到在单芯片上实现完整的数据采集与 分析，即目 前极为热门 第一章引言 的s o c ( s y s te m o n c h i p ) 。 通 常 在 一 块 芯 片 上 会 集 成 一 个 可以 采 样 多 路 模 拟 信 号的 a / d转换子系统和 一个硬 c p u核， 而且 其 c p u 的 运算处理速度和性能 也 较早期的 标准 c p u内 核提高了 数倍， 而 且有着极低的 功耗。 这种单芯片 解决 方案降低了系统的成本和设计的复杂性。 再次，近年来， 迅猛发展的虚拟仪器技术将计算机软 件技术、高速总 线和 嵌入式技术充分融合， 极大提高了 数据采集和处理的能力以及处 理的灵活性。 利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和 自 动 化的应用。灵活高效的软 件能够轻松创建完全自 定义的用户界面，模块化的 硬 件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应 用的需求。 此外，为了解决 s o c方案中数据处理性能的不足， 采用 d s p作为数据采 集系统的 c p u 的研究与 应用目前也逐渐引 起业内 重视 ( 如 t i近年设计的 t m s 3 2 0 f 2 8 二 系列芯片就是 较为完整的数 据采集与控制的高性能单片系统) 。 虽然这类产品目 前仅仅处于 发展的初级阶 段， 但在精度、速度或其它性能指 标 提高方面速度惊人。 因而， 国内外以 d s p作为数据采集系统的采样控制和分析 运算的研究与应用正在迅猛发展。 第三 节本文的研究内容与 意义 3 . 1 本文的研究内容 本文对光纤测量振动信号的原理进行了深入研究和分析，将振动状态通过 简 化模型反映为振动幅度与频谱信号的线性 对应关系。 设计和完成了 基于分布 式光 纤振动测量的数 字信号处 理系统， 实现了d s p与p c相结合的高 速信号 采 集和分析。 实现光纤光栅的分布式振动信号的解调，将弱信号分析引入振动信号的解 调，提高系统监测的分辨能力. 研究大规 模数据f f t的在现 有硬件技术条 件下的 实现方 法， 解决因为采 样 速度提高而带来的海量信息频域实时分析的难题。 将高速总线通信 技术e d m a和u s b 2 . 0 与高 速光纤信号采 样分析 相结合， 探索光纤传感应用的通用模型。 第一章引言 3 . 2 本文研究的意义 分布式光纤振动测量系统的实 现使得远距离无人振动监控成本大幅降 低、 效率增加、功 耗下降， 且这种测量方式 不受 环境温度、 湿度和电磁干 扰的影 响， 适合安装在恶劣的野外环境。 分布式光纤振动测量系统的实 现因为后 端信号的 采集和解调的 通用性， 该 系统的设 计可以 通过适当的修改扩展到其它测量领 域， 诸如形变、 温度和湿度 等。 系 统构建了以d s p为核心的 信号采集与 解调 处理单元，改变了 过去传统的 以 计算机为核心的采集与解调 系统。 为了 提高分析速度，将对实时性要求高的 采集、分 析、 运算和处理的部分 放在嵌入式控制 器 d s p 中， 只把显示、 存储等 不需要实时处理的部分用计算 机实现。 这样的系统设计模式，充分利用了 当前 快速发展的嵌入式处理技术，能够大幅度提高系统处理事件的速度，满足高速 信号分析的需要。 第二章光纤光栅振动系统的研究 第二章光纤光栅振动系统的研究 第一节光纤光栅振动检测原理 采用高分辨率激光在光纤中扫描，在特定的观测点刻制反射光纤光栅，光 接收机接收的反射信号光 和本 地振荡 器产生的本振光经混频器作用后，光场发 生干涉， 由光检测器输出的光电 流经 处理后以基带信号形式输出 ，基带信号是 以 原信号为中心的边带信号， 将信号 通过带通滤波器就得到分布式光纤振动测 量 系统的 待分析信号。 信号 检测图见图2 . 1 。反 射光信号 到达光检 测器的 时间随 着光纤观测点距离的增加线性 增长，从 而反射光信号的 频率大小反应了光纤观 测点 距离的远近。 在信号的频谱图中，主 峰的位置代表了 观测点 的位置。 观测 点附 近的 振动信号能够引起反射光频率的 细微变化， 本系 统就是根据检测这些 细 微变化来实 现分布式光纤振 动测量 z 1 h 3 1 p 4 1p 5 1 6 1 图2 . 1 光纤信号检测原理图 设 定 高 分 辨 激光 信 号 即 本 振 光 频 率 为 w - , 率 为田 ， 混频后光 信号的频率 0) . i = w - 土 u w fl . 信号频率经过低通滤波以 后 经光纤光栅反射后的信号光频 ( 2 . 1 ) 第二章光纤光栅振动系统的研究 鱿娜j = 。 ， 朋 廿 一 m - fl . ( 2 . 2 ) 设观测点到混频器的距离为s 则s = k m v , ， 其 中k 为 比 例 系 数。 频域信号在某一测试点的 能 量分布满足以 下公式 e .t,_ , = e . _ _ ， 十 e * -,. w (2 .3 ) e m _ _ ,- k 代表 该 测 试点 主 峰 的 能 量 ，e .,d - *代 表该 测 试 点 受 到 振动 干 扰时 产 生的 边 带 能 量 。e _ ,_ k 与 测 试 点 受 到的 振 动 强 度 负 相 关， 即 振 动 强 度越 大， e . _ - , . k 就 越 小。 光 信号 频 谱的 变 化 大小 ， 取 决 于 光 纤 光 栅 受迫 振动的 强 度， e a n _ v . k 的 变换 量 正 比 于 光 纤 光 栅 的 形 变， 推 倒 仅 限 于 考 虑 一 维 的 情 况 其 表 达 式为: d e _ , _ , a a i ( 2 .4 ) a e . . . _ , ,. k 代 表主 峰能 量 的 变 化 量， a i 代 表 形 变 的 大 小 ， 假 设 受 迫 振 动 为 弹 性 振 动， 则 形 变大 小 正 比 于 所 受 外 力 ， 进而 得出 a e _ ,. 正 比 于 系 统 所 受 外 力 。 其 表达式为: 戊 凡 口爪 _ 间 oc 只 帕 胭 “. (2 .5 )a e _ . - , - k 0c f ,. ,_ f d, a n. 代 表 系 统 所 受 外 力 的 大 小 ， 反 应 分 布 式 光 纤 振 动 测 量系 统 的 振 动 情 况。 第二节光纤光栅振动分析系统的方案设计 光纤信号经光电 转换或光 纤传感器后为电平 信号， 通过放大器和模拟滤波 使信号幅度限定到。 2 v之间， 本课题研究的 信号是光纤 信号 转换为电信号 后 在 1 -5 m h z 之间， a d采样 速率在2 0 m h z 左右，经过f i f o 接口板将a d 变换 后的数字信号输入到d s p 中 ， 在d s p中完成数 字滤波， f f t 变换，并 按照监 控 要求， 分离各 类数据， 然后综合 分析， 将结果 通过u s b总 线传至p c 机， 在p c 端对信号再分析，并提供显示 及相 关数据进行 存储 1 7 1 i 8 1 9 1 2 0 1 2 . 2 . 1 系统组成 基带信号滤波后送到高速a d ，经过模数转换后，数字信号通过 f i f o传送 至d s p ， 在d s p 中 先对信号预处 理， 诸如 滤波、 去噪声等，然后做f f t变 换、 第二章光纤光栅振动系统的研究 对频域信号进行信号分析。分析的结果通过u s b总线传送至 p c再分析、存储 和显示 2 p ， 系统组成见图2 . 2 0 图2 .2 系统组成图 传感系统如图 2 . 3所示。激光器 l 在 d s p 的控制下发出如图 2 . 4 所示的， 频率v = v o + a t的 扫频激光， 扫描周期为t ，有效扫 频时间 为 t s 。 此光经环行 器 c 传向传 感光纤， 传感光纤中 有 2 5 6 个敏感 元件， 它们都反射相应的 光， 反 射光再经c后， 传向 接收与放大单 元 p d 另一路 接或门7 4 l c x 8 6 ， 或门 的另一个输 入接电 源v d ， 输出的时钟 作为a / d变换以 后的数字信号的同 步时 钟引入系统 的 下一级: 最后一路同 样接 或门7 4 l c x 8 6 ， 或门的另一 个输入接电 源v d ， 输 出的 时钟作为锁存芯片的时 钟。. 6 . 采样数字信号输出模块 a / d 变换以后的数字信号与输入模拟信号超量程标志以及时钟一同接入支持 第三章系统的硬件设计与实现 三态输出的信号锁存芯片 s n 7 4 l v c h 1 6 3 7 3 , 锁存芯片的输出即为a / d转换板 最后输出信号。 第二节嵌入式信号处理板 3 . 2 . 1 嵌入式信号处理板特点 采 用t m s 3 2 0 v c 6 4 1 6 1 g h z ， 工 作 主 频 最高 达1 g h z ， 处 理 性能 可 达8 0 0 0 m i p s , 实现高速运算和大容量存储 .片上存贮器: * l l p c a c h e : 1 6 k x 8 一位 * l l d c a c h e : 1 6 k x 8 一位 * l 2 r a m / c a c h e : 1 mx 8 一位 .片上外设 * 6 4 一位 e m i f :】 * 1 6 一位 e m i f : i e d ma : 6 4 通路 。 1 6 / 3 2 一 位h p i : 1 通路 * 3 2 一 位p c i : 1 通路( 仅c 6 4 1 5 / c 6 4 1 6 有 ) * mc b s p : 3 通路 . u t o p i a : 1 通路( 仅c 6 4 1 5 / c 6 4 1 6 有 ) ， 3 2 位的定时器:3 通路 . g p i o : 1 6 通路 外扩s d r a m ，配置为2 mx 6 4 一位 外扩z b t s r a m，配置为 1 mx6 4 一位 外扩f l as h ， 配置为1 mx 1 6 一 位 外扩i i c串口 的r t c + 5 1 2 x 8 一 位e e p r o m 外扩2 路u a r i ， 接口 ， 接口 标准r s 2 3 2 / r s 4 2 2 / r s 4 8 5 可配置 外扩符合u s b 2 . 0 标准的高 速d e v i c e 端接口 标准化的扩展总线，包括地址与数据总线、控制总线，及片上外设资源的扩展 第三章系统的硬件设计与实现 3 . 2 . 2 功能框图 嵌入式信号处理板功能如图 3 . 3 所示。 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 1 g h z li p c a c h e l 1 d ca c h e l 2 ram/ c a c h e 双路 u a r t us b2 .0 s dr am f las h 总线扩展 ( 数据/ 地址 h p i / u t o p i a / mc b s p / e mi f ) 图33 嵌入式信号处理板功能图 3 . 2 . 3 嵌入式信号处理板概述 高性能的3 2 一 位定点d s p : t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 t ， 主频可达1 g h z ， 处理性能高 达8 0 0 0 m i p s ; 并外 扩有高 速、 大容量存储器 ( 1 3 3 m h z 工作 频率的z b t s r a m, s d r a m) :两路接口 标准可切换的 r s 2 3 2 / r s 4 2 2 / r s 4 8 5通用异步接口，标准的 u s b 2 . 0 控制 模块; 串行r t c 十 e e p r o m模块; 标准的e m i f 扩展总线， 外设 扩 展端口 ， h p i 扩展 端口， u t o p i a 扩展端口; 可 采用单一的 + 5 v电 源供电， 或标 准的微 机电 源供电。 由 于总线速 度非常高， 且d s p 芯片为b g a封装， 电 路板 设 计为8 层板。 外 扩总线的中断信号和控制管 脚通过c p l d规范后接到d s p 芯 片， 外部总 线地址/ 数据总线 和时 钟直接与d s p 芯片的 管脚相连【2 2 1 第三章系统的硬件设计与实现 3 . 2 . 4 d s p 外部接口 t ms 3 2 0 v c 6 4 1 6具有多种外部接口，包括 e mi f接口、mc b s p总线、h p i 扩展端口和 u t o p 认 扩展端口. 3 . 2 . 4 . 1 e m i f 接口 e m i f 是e x t e rn a l m e m o ry i n t e r f a c e 的 缩写， 芯片的 外部存储器 接口， 数字 信号处理器要访 问片外设备时需要通过外部存储器接口进行访问， t m s 3 2 0 v c 6 4 1 6 包含两个e m i f 接口 ， e m i f a 和e m i f b 2 3 1 o e m i f a为6 4 位存储器总线， 分为4 个存储空间， 每个存储空间 可独立 进行配 置， 无缝接口 多 种类型的 存储器( 异步 存储器、 同步 静态存储和同步 动态存储器 等) 。 e m i 队 的 接口 信号 如图3 .4 所 示: 处 w臼:刃 口月户目曰.曰 a c e : 八 c 2 ac e 1 几 ced 月:a 2 2 .,封 a b e7 a b e 6 as e 5 八日 e 4 a be3 八 日e2 八b e 1 八 日e6oaame 一 e:temalspecs bmsd maiifcoetrdaddernebyte eu 一 . . . . 卑 户 . 甲 . 口 一 _ . 了 0了e m i f a 0 4m) 翻. 叮口 . 翻 . m 侧 ry昨 心 0 州 如 目 巴二 l璧 !: 胭 . 团 口 y 翻 即 簇: :厂懊 飞: 贾 熬 :l华 厂 牛: 日 八 月d 门 旧 . 二咒 口 口二 厂 二 日 洲 泊e n 山抽 . 厂二 一 二 ， 工 爪 二 八e cl ko u t i ae cl ko u t 2 八5 d c k e aa 丽 白画 s 已 亡 as 俩习 画 d盈a s 豆 硬 .，.，.白白.- 八八 o e i as d r a s i as oe 人a w 日八 5 口 w曰 人 5 w尼 八 八 r 口 丫 门.户.，. as o e 3 月p d t .月，.叫叭. 月 卜 o l d 月.曰.门.口. 八r o l d a 山 日 u s r e o 图3 .4 e m i f a 接口信号 e m i f b 为 1 6 位存储器总 线， 分为4 个存储空间， 每个存储空间 可独立进行 配置，无 缝接口多种类型的 存储器 ( 异步存储器、同步静态存储和同 步动态存 储器等) 。 e m i f b 的接口 信号 如图3 . 5 所示: 第三章系统的硬件设计与实现 bce3lbcgnl呻丽 r-0-d a-5-p 日 阅知:， 旧 be1 倪口 暇 n 日e cl k ou t 1 日 e c l k out2 .，.叫.，.，目. b a r e i 7 t d t a_ s i b s _ l i ,r3 s r e 日 aoei b sdrasi rso e .目 b hold b h ol d 人 bb u s r e c 图3 . 5 e m i f b 接口信号 在本系统中， e m i f b 配置位 外部总 线x b u s ， 读数据的时 钟由b e c l k o u t 2 提供， 时钟的大小 通过对寄 存器e m i f b 一b l c t l 配置 来确定。 在可以 正常 工作 的 前提下，速度越慢， 则系统 越稳定 且功耗最小。 因此，b e c l k o u t 2时 钟通 常编程为6 2 . 5 m h z a 时钟锁相环及分频电路见图 3 .6 . cru c协 比 f .如抽相 i s- 下 臼 怕r腼 加 m 日 1 c l . 口 c l k ou t 4 拍 c ase m d. nw ck w k c l kmo de o c l kmode1 clk o i 厅日 0 0 o 1 1 0 e c l k o s e l巾e v c f g. 1 7 , 1 旬 - m d e v c f g. 1 5 , 1 司， em if 00 01 10 e k f l . t _ t e ( g b l c t l( 1 9 , 1 姗 图3 .6 时钟锁相环及分频电路 第三章 系统的硬 件设计 与实现 3 . 2 . 4 . 2 m c b s p总线 m c b s p 是m u l t i c h a n n e l b u ff e r e d s e r i a l p o rt 的 缩写，即多通 道缓冲型串 行接 口，是一种多功能的同步串行接口，它具有很强的可编程能力，可以配置为多 种同步串口 标准，直接与各种器 件高 速接口 ， 同步串行通信协议包 含: . 串 行数据流起始时刻称为帧同步事 件。 帧同 步事件由 位一时钟采 样帧同 步信 号给出。 今 串 行数 据流长度: 串行传输的数 据流位数 达到设定的长度后， 结束本次 传输， 等下一个帧同步信号到达，再发起另一次串行传输。 . 串行数据流传输速度:即每一个串行位的持续时间，由位一时钟决定。 令 如何取 得帧同 步事件、 何时采样串行 数据 位流或何时 输出串 行数据 位流， 是 通过m c b s p 的寄存器进行配置的。 3 . 2 . 4 . 3 h p ! 扩展端口 h p i 是h o s t p o rt i n t e r f a c e 的缩写， 是一 个并行端口 ， 主机 通过该 接口， 可以 直接访问d s p 的 存储空间. t ms 3 2 0 v c 6 4 1 6 支持1 6 位总线宽 度和3 2 位总线宽 度两 种工作模式， 模式通过复 位时h d 5 引脚的 状态来选择。 主 机通过h p i 接口 的3 个寄 存器 ( 数据寄存器h p i d 、 地址寄 存器h p i a和控 制寄 存器 h p i c ) 对 d s p 的 存储空间 进行访问。 3 . 2 . 4 . 4 u t o p i a扩展端口 u t o p i a是u n i v e r s a l t e s t a n d o p e r a t i o n p h y s i c a l i n t e r f a c e f o r a t m的缩写 ， 是t ms 3 2 0 v c 6 4 1 6内 部集成的一 个a t m从设 备接口。 u t o p i a外设符合a t m 标 准a f - p h y - 0 0 3 9 .0 0 0 0 ， 它 支 持u t o p ia 2 级 接 口 ， 容 许8 位 收 发 从 操作 ， 速 率可达5 0 m h z . u t o p i a 从接口 需要有外 部a t m主控制器提供必要的 控制 信号， 如时钟、 使能 信号和地址值，它只支持 信元 级的 握手。 上述四种外部总线接口，除主 机接口 之外，另外三种接口 都可作为数据的 输入端使用，根据 a / d变换芯片 a d 9 2 4 8 的并行数据特点，选用与之相对应的 并 行总线接口e m i f 。虽 然a d 9 2 4 8 的 输出 与d s p 的e mi f 接口 同为并行 接口， 但是 它们因为 数据速率不匹 配， 不能 够直接 相连。 a d 9 2 4 8 采样速率在本系统中 最高为2 0 m h z , e m i f配置为外部总 线后， 采用b e c l k o u t 2 作为读时钟最 低 速率为6 2 . 5 mh z e 第三章系统的硬件设计与实现 为使信号在速率不同的 器件 之间 无缝连接， 系统设计采用了 同步f i f o作为 信号传输的中介。 a d 9 2 4 8 为1 4 位a / d转换芯片， 且目 标是与d s p的e m i f 接 口 相连， 所以 选用可以 与两端 都可无 缝连接的t i 公司研 制的s n 7 4 v 2 x 5 -7 系 列芯片。x可以取值为 1 , 2 , 3 , 4 ，分别代表同一类型四种不同存储器深度的 f i f o . x越大存储器空间 也就 越大，同 等速率下，同样的 标志位 发生改 变支 持 的 数据量 越大， 程序更易 于设计，系 统也更加稳定，但价格更高。综合考虑以 上因素，本系统最后使用 s n 7 4 v 2 3 5 -7 。这些芯片的读写周期最短为 7 . 5 n s ，支 持时 钟的 最高速率可达 1 3 3 m h z e 系统 设计时，充分考虑了 系统高速的要求和 f i f o标志位的 特点。传统的 f i f o设计， 数据写入端的 时钟 信号与数据的写使 能信号都要由 微处理器提供， 可以 任意控制。 虽然灵活性 较大，但程序设计复杂，且因时 序问 题对采样速度 的提高有限制，即写要受到微处理器控制，占用微处理器处理时间。本系统设 计采用了 一种全新的理念， 数 据写入端使能信号直接使能，数据的写入全部由 时 钟来控制，即 只要提供时 钟数 据就不断写入f i f o 。 这种方式提高了a / d 变换 的 效率， 尤其是大数据量高速数 据采集时 尤为明显，因为其省去了使能的 控制 步 骤o f i f o的写时钟与前端a d 9 2 4 8 的采样时 钟共用， 即只要采 样开始， 即f i f o 开始写入数据。这样就带来了一 个新问 题，即只要时 钟不停，数据采集就不 会 停， 数据也一直往f i f o中写。 后果是f i f o写满后a d 9 2 4 8 依然工作，数据已 经写不 入 f i f o ，产生无用的 功耗， 且反复对己 满的f i f o写数据，使 写入状态 始终处于高阻。 要解决 这个问 题， 就是要在f i f o写满以 后， 停止对f i f o写入 数据并停 止a / d变换。 f i f o的 写使 能信号己 经接地， 只能让写时钟禁止才可以。 f i f o的时 钟与前 端的 a d 9 2 4 8共用时钟源， 它们的时钟来自 可编程时钟芯片 i c d 2 0 5 3 b 。 这种时钟芯片 没有使能 信号， 且内 部是锁相环控制电 路， 掉电以 后 频率需要重新编程，所 以在运行是无法受控停止。为使时钟禁止，在硬件设计 时， 在可编程时钟的输出端和a d 9 2 4 8的时钟输入端接入一块低延时的与门芯片 7 4 1 0 8 。与门的两个输入端，一个接 i c d 2 0 5 3 b的时钟输出，另一个接 f i f o的 满 标志万 . 两个时钟的 逻辑关 系见下面 这个公 式: c l k a o = c l k , . -f f ( 3 . 1 ) 万 这 个 标 志 是当f i f o写 满 时 低电 平 有 效 。 在这 种设 计 下， 只 要f if o写 满a d 9 2 4 8 的时 钟就自 动被 拉到 低电 平， a d 9 2 4 8 就停止工作。 光纤信号分析需要 1 0 0 k 2 0 0 k数据，f i f o存储器 s n 7 4 v 2 3 5的存储容量只有 第三章系统的硬件设计与实现 2 k ， 因 而一次传输肯定无法满足系统设计的 要求。 s n 7 4 v 2 3 5 芯片设 计时 就已 经 考虑到了 连续传输的问题，芯片提供了 5 个标 志位用来表示当前的 存储状态， 利用这些状态标志设计中断程序，实现数据的 连续 采集。系统硬件设计时， 将 这些标志都设计为跳线方式， 增强硬件的使 用灵活 性。这些标志位既可以 单独 使用也可以结 合使用，不同的跳线方式对应不 同的 程序设计方案。 第三节信号连接板 这块电路 板负 责将 a / d变换以 后的 数字 信号 传输到信号处理 板， 并设计 可 编程时 钟发生电路，为a / d转换板提供可变的 时 钟，由 两个模块组成: 1 .先进先出存储器模块 先进先出 存储器模块由 一块核心芯片、 两组 总线和电 源单元组成。核心芯 片采用德州仪器公司研制的 s n 7 4 v 2 3 5 -7 。总线包括与 a / d转换板通信的输入 1 4 位数 据总 线和与嵌入式信号处理板e m i f 总 线连接的输出1 4 位数据 总线。 因 为先入先出芯片需要 3 .3 v电源，而外部提供的是统一的 5 v电源，所以加入一 块电压变换芯片 l m1 1 1 7 t 3 . 3 。为方便系统的软件开发，先入先出芯片的标志为 都接为跳线模式. s n 7 4 v 2 3 5 是一种高速、 低功耗c m o s 先 入先出 存储器，称为f i f o 。 这种 芯片最多可支持 速率达到 1 3 3 m h z ， 读访问 时间 最 快可达7 .5 n s ， 这种d s p 同 步 先入先出存储器适合应用在 d s p到处理器的通信或 ds p与模拟前端的数据缓 存， 广泛的被使 用到网 络，视 频以 及数据通信 中 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 1 s n 7 4 v 2 3 5 属于同步f i f o ， 表明f i f o的 每 一端都包含一个同步 接口。 使能 信号有效时，输入数据伴随着连续时钟的上升沿写入存储器。输入端与输出端 的连续时钟信号可以是异步的，也可以是协同的。f i f o的输入端与输出端都提 供简单的同步接口和d s p ,微处理器或总线控制器直接相连。 s n 7 4 v 2 3 5 有如下 特点: 2 0 4 8 x 1 8 - b i t 组织架 构， 7 . 5 n s 读/ 写周 期， 3 . 3 v供电，具有5 v的 容限， 具 有f w f t 和标 准模式两种模式， 能 够进行深 度和宽 度扩展 ， 异步或读 写时 钟一 致， 半满 标志， 与微处理器有良 好的接口 ， 可以 与德州仪器 t m s 3 2 0 系列 d s p 无缝连接。 i k m i. 同步f i f o拥有两个定点标志位， 一 个是空标志丽 ， 另一个是满标 志 第三章系统的硬件设计与实现 万 。 s n 7 4 v 2 3 5 还 拥 有 两 个 可 编 程 标 志 位 ， 一 个 是 快 空 标 志 ， 另 一 个 是 快 满 标 志。 另外， 芯片还包含一个半 满标志 位， 这个 标志 位在f i f o不 级联使 用时 有效。 s n 7 4 v 2 3 5 拥有两种操作模 式，一 种是f w f t 模式，一 种的 标准模式: f wf t 模式: 写入f i f o存 储器的 数据在三个读时钟周期后直接送到 数据的 输出 总 线上，芯片的读使能信号 不需要发出 指令。 标准模式: 写入f i f o存储 器的数 据只有当 读操作被执行时才 一 能够 送到数 据的 输 出总 线。 数据的 一个读操作由 读使能 信号 ( r e n) 和一个读时钟r c l k的上升 沿组成。 状态标志位状态随着存 储器中的数据变化 而变化， 其 具体变化情况见表3 . 1 0 表3 . 1 标准模式下的状态标志 s n7 4 v2 3 5 ff只a f万f只a e 五f 0hhh ll 卜1 2 7h hhlh 1 2 8 - 1 0 2 4 hhhhh 1 0 2 5 - 1 9 2 0 hhlhh 1 9 2 1 - 2 0 4 7 hll hh 2 0 4 8lll hh 芯片的 半满标志位提供d s p 外 部中 断信号， 其时序图 见图3 . 7 . 口 2俐 切自 如门 0 . 阳 . 翻 助 . . 魂 . 团 晰 七 . _ _卫 心 拼一 人 “. ， f-w f - - v o t . 习 9t 贸诀 弋 j 侧s 1才石 i e 1k a 孟 l 1 fl- 1 sz习 vw m m fifoisee n ow a w ! 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