（信号与信息处理专业论文）基于usb20与dsp技术的数据采集及实时处理系统的设计.pdf

基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 摘要 数据采集与处理系统广泛应用于数据监测与分析等领域，d s p 作为现代主要 的信号处理技术，在数据采集与处理系统中起到关键作用，本文选用高性能的 d s p 芯片，使系统具备采集数据并实时处理的功能，而采用u s b 接口使系统与p c 之间的数据传输速度极大提高，消除了瓶颈。 本论文是针对课题“海中浮游植物粒径分布和浓度现场在线监测系统”而设 计的数据采集与实时处理部分，主要采集海洋浮游植物激光激发荧光信号和多普 勒信号，由于水下的浮游植物运动不规律，荧光信号和多普勒信号的出现也随之 具有不可预知性，因此在本设计中采用d s p 程序对两通道的数据进行预触发检 测，当数据超过设定阈值时，才开始更大量的数据存储，从而得到双通道信号的 全包络。系统通过d s p 强大的信号处理能力可以很好的完成对多普勒信号进行频 谱分析。 本文主要介绍一种采样频率在5 m 以下的数据采集与实时处理系统的总体设 计方案，阐述并分析了系统各部分的功能及实现方法，总体设计思想为：被测光 信号经过传感器变为模拟电信号，通过a d 转换器转换为数字量后，在c p l d 的时 序控制下，存入d s p 并对数据进行f f l ，处理后的数据经过u s b 接口传入p c 机 并显示实时频谱。 在硬件设计方面，本文分别对系统的传感器模块、模数转换模块、信号处理 模块、逻辑模块、电源模块、以及通讯模块的工作原理、设计方案和p c b 设计做 了具体介绍。 在软件设计方面，本文阐述了采集系统的d s p 算法程序的设计开发过程：在 u s b 2 0 协议的基础上介绍了接口芯片固件程序以及上位机应用程序软件的设 计。 关键词：数据采集；d s p ；傅里叶变换；u s b 2 0 d e sig no fd a t aa c q uisitio na n dr e al tim ep r o c e s sin g s y s t e mb a s e do nu s b 2 0a n dd s p a b s tr a c t d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e di nd a t a m o n i t o r i n g a n da n a l y s i s ，a st h em o d e r nm a j o rs i g n a l p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，d s pp l a yak e yr o l e i nd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g s y s t e m ，t h i sp a p e rs e l e c t st h eh i g hp e r f o r m a n c ed s pc h i p ，i tm a k e st h e s y s t e mh a st h ef u n c t i o no fc o l l e c td a t aa n dr e a l t i m ep r o c e s s i n g ，t h e i n t r o d u c t i o no fu s bi n t e r f a c ei m p r o v e st h ed a t at h r o u g h p u tb e t w e e nt h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dp c ，e li m i n a t e st h eb o t t l e n e c k t h i s t h e s i si sa i m e da ti s s u e“d e t e c tt h e g r a i nd i a m e t e r o f p h y t o p l a n k t o n u n d e rt h ew a t e ra n dm e a s u r et h ed e n s i t yo f t h e p h y t o p l a n k t o n ，t od e s i g nt h ep a r to f d a t aa c q u i s i t i o na n dr e a l t i m e p r o c e s s i n g ，w em a i n l yn e e dt oc o l l e c tt h ef l u o r e s c e n ts i g n a la n dd o p p l e r s i g n a l ，b e c a u s eo ft h ep h y t o p l a n k t o nu n d e rt h ew a t e rd o e s n o ts h o wu p r e g u l a r l y ，t h ee m e r g i n go fb o t hs i g n a l sa r eu n p r e d i c t a b l e t h ed s p p r o g r a mc a nd e t e c tt h ep r e t r i g g e ro ft w oc h a n n e l s d a t a ，w h e nt h ed a t a e x c e e ds e t t i n gt h r e s h o l dv a l u e ，t h es y s t e mw i l lc o n t i n u et oc o l l e c tt h e f o l l o w i n gs i g n a l s ，s ow ec a ng e tt h ew h o l ee n v e l o p ec u r v eo fb o t hs i g n a l s t h i s t h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no fad a t aa c q u i s i t i o na n d r e a l t i m ep r o c e s s i n gs y s t e mw i t hm a x i m u ma c q u i s i t i o nr a t ea t5 m ，a n a l y s i s t h ef u n c t i o no fe a c hp a r ta n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d t h eo v e r a l ld e s i g n t h o u g h ti s ：s i g n a la f t e rs e n s o ri n t oa n a l o ge l e c t r i c a ls i g n a l ，u s i n ga d c t oc o n v e r tt h ea n a l o gs i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l ，w i t ht h ec o n t r o lo f c p l d ，t h ed a t aisc o l l e c t e di n t od s pa n dt h e nb e c a m ef f ，i i ，t h ed a t aa f t e r p r o c e s ss h o u l dt h r o u g ht h eu s bi n t e r f a c et op ca n dd i s p l a yr e a l 。t i m e s p e c t r u m i nt e r m so fh a r d w a r ed e s i g n ，t h et h e s i ss p e c i f i ci n t r o d u c e st h es e n s o r m o d u l e ，a n a l o gc o n v e r s i o nm o d u l e ，s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，t h el o g i c a l m o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l e s 、c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp c bd e s i g n i nt e r m so fs o f t w a r ed e s i g n ，t h et h e s i se x p o u n d so nt h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n tp r o c e s so f d s pa l g o r i t h mp r o c e d u r e s ，b a s e do nu s b 2 0p r o t o c o l t h et h e s isi n t r o d u c e st h ef i r m w a r eo fi n t e r f a c ec h i pa n dt h e s o f t w a r e d e s i g no fp c k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；d s p ；f l i - l ；u s b 2 0 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 1 绪论 1 1 课题的研究背景 数据采集定义为通过对压力、温度、流量等模拟信号进行转换，将产生的数 字信号通过p c 机进行存取、处理以及显示的过程【l 】，数据采集系统是用p c 机控 制的多通道数据检测的系统，他越来越广泛的应用于控制，测试等领域。如今数 据采集系统正向着高速高精度大吞吐量的方向发展。 数据采集系统是外界信号与p c 机之间的桥梁，外界有用信息经过传感器后， 转换数字量信息，然后进入采集系统的c p u 进行处理，处理的数据传入p c 机后 实现显示、存取或打印等功能，这样便可实现对外界物理量变化的有效监测。 数据采集系统性能的优劣由采集的精度和采集速度决定的。为了满足数据快 速采集与实时处理并且能够实时控制的要求【2 】，在确保采集精度的前提下，要尽 量提高其采样速度，现如今多数采集系统都要求具有多通道，高速、实时处理， 随时存储调用数据等功能，为此，以往运用r a m 存储数据，再通过通用c p u 进行 非实时的传输处理已无法满足要求，为了解决此类问题，必须将高速的接口芯片 与高速数据处理芯片相结合。 1 2 本课题研究目的及意义 本设计是基于8 6 3 项引3 习激发荧光和激光多普勒技术的浮游植物粒径分布 现场在线监测系统中的数据采集与实时处理部分。方案设计的硬件系统对数据进 行采集和分析。在本方案中由计算机控制实现信号的采集，数据处理和结果的存 储。由所测荧光信号的横截宽度t ( 时间宽度) 和多普勒频率推算出的浮游植物 粒子速度v ，按公式i ) = v t - w 计算出浮游植物粒子的粒径【3 5 1 。其中w 是测量体积 处激光的宽度。 ： 大课题的研究内容为研制基于测量激光激发叶绿素荧光和激光多普勒信号 相结合方法的浮游植物粒径分布和浓度的实时现场在线监测系统，用于实时计算 浮游植物粒径并区分开通过测量区域的浮游植物和其他有机物，以实现实时粒径 的分部统计，达到准确、快速实时现场测量海洋浮游植物粒径分布和粒子浓度， 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 对于定量分析海洋生态中的能量流动方向、流动效率研究多样性海洋生态现象特 别是赤潮等生态在灾害具有重要意义。 1 3 课题的主要研究工作 本论文的主要研究工作是：在了解目前市场上的d s p 、u s b 和a d c 等芯片特 点的基础上，根据项目要求，选取了运算速度快的浮点型d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 和支持u s b 2 0 且开发周期短的u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，设计出一种基于 u b s 2 0 和d s p 的数据采集与实时处理系统，该系统要满足实时采集、实时处理 的要求，最终要获得浮游植物粒径的统计分布曲线以及所测浮游植物的平均流 速、流量等信息。本文通过五章内容详细阐述了该系统的设计与实现。 第一章简要介绍了本论文的背景、研究意义以及各章节安排。 第二章介绍了数据采集处理系统的整体结构和硬件设计方案。 第三章介绍了数据采集处理系统的软件构成，包括d s p 算法、u s b 固件程 序以及上位机软件设计。 第四章对实验的测试数据和结果进行分析。 第五章总结全文，提出设想与展望。 2 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 2 系统硬件设计方案 2 1 系统整体介绍 本方案为双通道数据采集与实时处理系统，设计的采集速率在2 m ，通道l 采集激光激发荧光信号，通道2 采集激光多普勒信号，两路光信号经过p m t 后 转换为模拟电压信号，经过两片a d c 转换为数字信号，d s p 分时地将两通道中 的数字信号读入其内部的r a m 中，此时两个通道一直循环采集2 k 数据，而通 道1 还要对r a m 中的荧光信号实时监测其是否达到预先设定的门限值，当通道 1 荧光信号的数据到达触发门限后，两通道同时再采集后续6 k 的数据，然后将 通道l 采集的8 k 荧光信号数据进行一系列计算，得到荧光信号的峰值和脉冲宽 度宽等数据，将通道2 采集的8 k 多普勒信号数据进行傅里叶变换，得到多普勒 信号的频谱。最后将计算后的数据通过u s b 2 0 接口传输到p c 上，在p c 中使 用l a b w i n d o w s 软件以图形曲线显示。系统总体框架如图2 - 1 ： + 5 + 5 v + 5 v r d c d c | 0 5 0 5 d i f d c d c l 0 5 0 5 s 8 0 5 1 隔八 ( i i n i k t ) 1 t 1 1 i t i 莎 内核 g p i f a l i l l b i j , i p c 一。卜 儿 t m ab u s 严 f i f o ；u s b s i e h c y 6 8 0 1 3q 脚r o m 图2 1 系统整体结构 e m p 2 4 0 t 10 0 e m i f ， h d s p p i t m $ 3 2 c i c 6 7 1 3 忆2 v 吨娶 n 3 v 叫三巫芦。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 2 2 传感器模块 2 2 1 传感器简介 国家标准g b 7 6 6 5 8 7 对传感器的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定 的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，传感器 是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规 律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出【7 1 ，以满足信息的传输、处理、存 储、记录、控制、显示等要求 光电倍增模块( p m t ) 属于光子技术器件中一种重要的产品，它是一种具有 相当高灵敏度和极快时间响应的光探测器件。光电倍增模块主要应用在光学测量 仪器和光谱分析仪器中，它一种可以将微弱光信号转换成电信号的电子器件。 2 2 2p m t 外围电路设计 本设计传感器部分采用日本滨松的光电倍增模块( p m t ) 对光纤传送的光信 号进行转换【8 母】，通道1 采集激光激发荧光信号，由于荧光信号较弱因此选用 h 7 7 3 2 系列高敏感度光电传感器模块，该模块由一个2 8 m m 直径的光电倍增管和 高电压电源组成，内部的光电倍增管具有高增益和高灵敏度的特点，其中的 h 7 7 3 2 - 1 0 对光的敏感度范围从紫外到接近红外，并且对波长6 0 0 n m 以上的光有 特别高的敏感度。 该模块需要对自身敏感度进行调解，外部电路如图2 - 2 ，j p 5 为内部敏感度 控制电路接口，v ro u t 端由p m t 固定输出1 2 v 电压，而v ci n 端要求输入电压 为0 2 v 一0 9 v ，采用1 0 k 的高精度旋转式电位器对其敏感度进行调节，将h 7 7 3 2 电缆线与电路板连接可实现p m t 敏感度的调节。 图2 - 2h 7 7 3 2 - 1 0 敏感度调节接口设计 4 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 另外h 7 7 3 2 的信号为电流型输出，该模块将光信号转换成电信号后最大输出 电流为l o o u a ，因此将其输出的微弱电流信号通过由运放0 p a 6 2 7 连接的电流一电 压转换电路图2 - 3 变为电压信号，再经过后级由运放a d 8 2 3 连接成反向端输入 的运算放大电路对电压进行调节，从而满足采集部分接收信号电压的幅值要求。 图2 - 3 电流一电压转换电路 通道2 采集激光激发多普勒信号，采用h 9 6 5 6 系列光电传感器模块，该模块 集成了金属封装的光电倍增管、高电源电压和低功耗低噪声的放大器，内部光电 倍增管输出电流可直接转换为电压信号方便信号的处理，其内部的放大器靠近光 电倍增管的阳极端从而减小了外部噪声。 h 9 6 5 6 - 2 0 的光谱响应范围在3 0 0 n m - 9 2 0 n m ，并且具有很高的敏感度。该模块 对自身敏感度调节的电路与h 7 7 3 2 - 1 0 相同，而由于其输出信号为电压信号，只 需用双运放a d 8 2 3 ，对电压的放大倍数加以调整以满足采集部分的电压要求，如 图2 4 。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 图2 4 放大调整电路 2 3 数据采集模块 数据采集部分主要用于将光电转换后的模拟电信号转换为数字信号，该部分 的准确性与性能优劣影响着整体采集系统数据的处理能力，一旦在模数转换过程 中转换速度较慢或者出现误差，最终就会导致系统分析出的数据没有意义，因此 该部分是整个系统的关键，该部分主要是模数转换器及其外围电路的设计，包括 前端运放缓冲电路，运放基准电压等。 2 3 1 运算放大器设计 模数转换器的前端采用运放作为缓冲电路，在模数转换器a d s l 6 0 5 的数据手 册中推荐使用了两种a d c 的缓冲器方案，采用德州仪器公司的t h s 4 5 0 3 运算放大 器，它具有3 7 0 m h z 的带宽以及3 0 0 m h z 的增益带宽积，可以满足系统需要，差分 信号输入的运放在高速模拟信号处理时具有消除外部共模噪声、抑制偶数阶非线 性增加动态范围等特点。 模拟信号通过运放后转换为差分信号a i n p 和a i n n 作为后级a d c 的输入信 号【1 0 1 ，t h s 4 5 0 3 电路设计如图2 6 ，它的共模电压由外部输入的基准电压来决 定，本设计采用t i 公司的r e f 3 0 2 0 提供2 0 4 8 7 稳定的共模电压参考。 r e f 3 0 2 0 的参数如下【1 1 】： 最高精度：0 2 ； 最高输出电流：2 5 m a ； 静态电流： 5 0 u am a x ； 6 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 输出电压：2 0 4 4 v - 2 0 5 2 v ，典型值为2 0 4 8 v ，具体电路如图2 - 5 图2 - 5r e f 3 0 2 0 电路 图2 - 6t h s 4 5 0 3 电路 在设计初期，为验证设计的准确性，采用了m u l t i s i m 软件模拟t h s 4 5 0 3 在 实际设计电路中的性能参数图2 7 ，仿真中t h s 4 5 0 3 采用的单端输入方式，阻容 元件均按实际设计电路取值。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 图2 7m u l t i s i m 仿真电路 图2 8 波特图 上图2 - 8 为运放电路的波特图，信号频率在2 m 内放大倍数没有出现明显下 降【1 2 l ，当信号频率为6 5 0 6 m 时仅为- 7 1 2 1 d b ，可以达到系统设计条件。 2 3 2 模数转换器设计 模数转换器即a d c ，是一种将模拟信号转变为数字信号的电子元件，其转换 过程一般为采样、保持、量化和编码。a d c 的种类很多，可分为积分型模数转换 器，反馈比较型模数转换器，逐次比较型模数转换器等。 转换精度是a d c 一个极为重要的指标，即输出数字信号的位数，而a d c 能够 准确输出的数字信号的位数越多，则对输入信号的分辨能力就越强，它的性能也 越好，此外为了适应快速过程的控制与检测需要，a d c 一定要具有足够快的转换 速度，因此转换精度与转换速度便成为衡量a d c 性能的重要标志。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 本设计采用了t i 公司的型模数转换器a d s l 6 0 5 ，它是美国t i 公司生产 的一款高速，高精度的1 6 位模数转换器，它的工作电压为+ 3 v 的数字电源和+ 5 v 的模拟电源【1 3 】，具有并行1 6 位数字输出数据接口可以容易的与t m s 3 2 0 c 6 x 系列 数字信号处理器d s p 连接，另外它内部集成了采用过采样技术的数字滤波器，简 化了外部设计要求，特别是针对抗混叠滤波器，为消除高频信号，只需外接一个 一阶r c 滤波电路即可实现，图2 - 9 是a d s l 6 0 5 内部结构，包含差分信号输入端、 模块、数字滤波器、并行接口等。 i 耪， i 荆 i a v 图2 - 9a d s l 6 0 5 内部结构 甜r d o t r r p 5 m l f i f o _ l e v 2 ：a i 2 x m e 该型号a d c 的主要性能指标如下【1 3 】： 采样速率：5 m s p s ( 2 倍模式下为i o m s p s ) ； 功耗可调：3 0 0 5 5 0 m w ； 信噪比：8 0 d b ； 谐波失真：一9 9 d b ； 供电电压：模拟电压+ 5 v ； 数字电压+ 2 7 - 3 6 v ； 数字 o+ 2 7 5 2 5 v ； i d s l 6 0 5 的1 6 位并行输出数据以二进制补吗的形式表示，表2 1 为数字量 输出与模拟输入对照，当正负输入端的差值为零时，输出端1 6 位数据总线上都 为低电平，即全部为零，但是当输入差值为正且超出范围时，1 6 位输出端为7 f f f h 并且芯片o t r 输出端保持高电平，同样当输入差值为负且超出范围时1 6 位输出 端为8 0 0 0 h ，o t r 端也为高电平。 9 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 表2 - 1 数字量与模拟量对照关系 i i n p u ts i g n a li d e a lo u t p u t l ( i n p i n n ) c o d e ( 1 )钟r - + la 6 7 v r e fp 0 d b ) 7 f f f h 1 1 4 6 7 v r e f ( 0 d b )7 f f f h 0 + 1 。4 6 7 v r e f 0 0 0 1 h 0 2 1 5 1 l 0 0 0 0 0 h o l一1 4 6 7 v r e f f f f f h 0 i 。 2 1 5 1 吒4 6 7 v r e f ( 蔫) 8 0 0 0 h o 刊。4 刚雒f ( 剁 8 0 0 0 h 1 a d s l 6 0 5 有外部电压参考和内部电压参考两种形式。 外部模式可以提供稳定的电压参考，使a d c 转换精度更高，但采用外部参考 需要多片运放，提高了设计成本并占据p c b 空间，因此本设计采用内部参考模式。 用内部参考模式时，芯片# r e f e n 管脚要接低电平，另外需要注意的是内部 参考应用于芯片引脚，因此要求旁路电容要尽量贴近引脚。 图2 1 0 内部电压参考推荐电路 1 0 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 a d s l 6 0 5 的1 6 位数据总线输出可以为高电平、低电平和高阻态，本设计为 两片a d c 构成的双通道数据采集过程，即两片a d c 的1 6 位数据总线均与d s p 的 e m i f 接口连接，此时如果两通道的数据总线同时数据有效，那么会产生竞争， 这样d s p 将无法采集正确数据。因此当1 通道a d c 数据总线输出时，2 通道的a d c 的数据总线应为高阻态，反之亦然，为控制两通道a d c 适时产生高阻态，通过设 置西和面，当二者低电平时输出有效，否则为高阻态，具体如下表2 - 2 表2 _ 2 西、面与数据输出对应关系 c s r dd o u t 1 5 ：0 00 a c t i v e ol h i 曲i m p e n d a n c e lo h i 曲i m p e n d a n c e 1l h i g l li m p e n d a n e e 2 4 可编程逻辑模块 2 4 1p l d 简介 可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它是一种通用集成电 路，用户可以通过自行编程来指定其逻辑功能。p l d 有很高的集成度，可以满足 一般设计要求的数字系统。这样就可以不到芯片厂商处定制集成电路，设计人员 可以自行编程便能将数字系统“集成 在p l d 上，既节约大量的时间和又可以节 约成本。 p l d 分类方法繁多，按照颗粒度可分为：大颗粒度、中等颗粒度、小颗粒度。 按照编程的工艺可以分为【1 4 】：可擦除的可编程只读存储器编程器件、熔丝和反 熔丝编程器件、电可擦除的可编程只读存储器编程器件、s r a m 编程器件。 2 0 世纪8 0 年代，a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了与标准门阵列类似的f p g a 与类似于p a l 结构的扩展性c p l d ，使逻辑运算速度大大提高，具有体灵活的系 结构和逻辑单元、高度集成以及适用范围广等特点，兼容通用门阵列和p l d 和优 点，不但能实现超大规模的电路，而且编程方式也更加灵活。 2 4 2c p l d 应用方案 a l t e r a 推出的m a xi i 系列c p l df l s 】，属于一款低功耗低成本的c p l d ，它基 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 于突破性的c p l d 架构，与传统系列的c p l d 相比，单个i o 引脚功耗是最低的， m a xi i 系列与前一代产品比较，其成本降至原来的二分之一。 本方案选用a l t e r a 公的司m a xi i 系列e p m 2 4 0 t i o o c 5 n t q f p 封装芯片，其 i o 供电为3 3 v ，内核供电可以在3 3 v 、2 5 v 、1 2 v 中自由选择，由于u s b 接口芯片选择的i o 接口电平为3 3 v ，因此本系统中选择3 3 v 作为c p l d 内核电 压，方便了接口的电平匹配。 本系统利用c p l d 可编程逻辑器件主要实现以下任务： 任务一：实现通道1 与通道2 的切换功能，c p l d 通过对d s p 产生的两个不同的 地址译码，分别选通两通道a d c 芯片的c e l 和c e 2 片选信号，当a d 的片选信号 c e 和r d 信号均为低电平时，a d c 输出端的1 6 位数据总线将由高阻态变为有效数 据，c p l d 就是通过对d s p 不同地址的译码，产生c e 和r d 低电平信号，使a d c 有效数据出现在其数据总线上。 任务二：通过对4 0 m 晶振的分频，分别为两片a d c 提供8 m 的时钟信号，使a d c 的采样率为l m 。 任务三：通过c p l d 设计逻辑电路，实现上位机对整体系统的软件复位。 任务四：运用c p l d 的管脚分配的灵活性，可以对p c b 的布线提供方便，还可将 设计中不是很肯定的逻辑端口都输入到c p l d 中以防出错。 c p l d 的设计运用v h d l 语言在a l t e r a 公司的提供的o u a r t u si i 环境下开 发，q u a r t u si i 是一款综合性p l d 开发软俐1 7 1 ，支持原理图和文本两种设计输 入，内嵌自有的综合器，并集成v e r i l o gh d l 和v h d l 综合，可以完成从设计输 入到硬件配置的完整p l d 设计流程，本设计在q u a r t u sii 环境下采用v h d l 语言 的文本设计方式，可以完成上述四项任务( 具体v h d l 程序参见附录) 。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 t o pv i e w m a x e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 圈圈 图2 - 11q u a r t u si i 软件中c p l d 引脚分配 图2 - 11 为v h d l 语言经过编译综合通过后，在q u a r t u sii 软件中对c p l d 引脚的分配，最后通过查看q u a r t u si i 的r e p o r t ，能够显示c p l d 各个模块的 使用情况。 t o t a ll o g i ce l e m e n t1 4 2 4 0 ( 6 ) t o t a lp i n s5 1 8 0( 6 4 ) 通过上述报告确保了该款c p l d 的资源可以满足本设计要求。 2 5 系统电源模块的设计 本方案采用u s b 2 0 接口模式，因此主机可以为本系统提供5 v 电压，但是考 虑到系统板上芯片较多，u s b 接口功率较小无法满足要求，所以外加了+ 5 v 的直 流电源接口，二者可以共同作为外部电源输入，以保证系统能正常工作。电源模 块的设计可以分为模拟部分电源和数字部分电源两部分。图2 1 2 为系统电源 分配方案 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 十5 v 模拟部分电源数字部分电源 1 h s 4 5 0 3 么 | li d c d c ，0 5 0 5 d 5 v a d s l 6 0 5 么、 仆 d c d c 0 5 0 5 s d s p - t 亥 1 + 】 t p s 5 4 31 2 2 v ：二i ：二皇兰竺翌：! ： 图2 1 2 系统电源分配 2 5 1 模拟部分电源设计 为防止系统数字电源对的模拟部分的干扰，选择了金升阳的i b 0 5 0 5 s - 2 w 和 i a 0 5 0 5 k s - i wd c d c 来隔离数字和模拟，这两种芯片用于对纹波要求严格的方 案中。 i b 0 5 0 5 s - 2 w 为单输出隔离型直流直流转换模块，其输入电压标准值为5 v ， 可在4 7 5 v 到5 2 5 v 之间变化，输出电压为5 v ；输出电流最大值为4 0 0 m a ，最小 值为4 0 m a 1 引，转化效率为7 0 ，工作频率为3 3 3 k h z ，输出功率最大为2 w ；在2 0 b i t t z 条件下，其输出纹波的典型值为2 0 m v p - p ，最大值为3 0 m v p - p ) 输出噪声的为 5 0 m v p p ，图2 1 2 是i b 0 5 0 5 s 的电路图。 i b 0 5 0 5 s 向a d s l 6 0 5 提供5 v 模拟电源。在a d s l 6 0 5 使用内部参考时，其模 拟电源需要提供最大值为1 3 5 m a 的电流，由于系统中使用了两片a d s l 6 0 5 ，共需 要2 7 0 m a 的电流，其功耗为1 3 5 w ，本系统设计使用的是2 w 的d c - d c 。 j 1 4 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 图2 1 2i b 0 5 0 5 s 电路 i a 0 5 0 5 k s i w 为双路输出直流直流转换模块，输入电压标准值为5 v ，其范围 为4 7 5 v 到5 2 5 v ，其输出电压为5 v 和一5 v ，每端最大输出电流l o o m a ，转换效 率为6 9 ，输出最大功率为1 w ，开关频率为8 3 k h z ；其输出纹波在2 0 m h z 工作条 件下的典型值为l o m v p p ，最大值为2 0 m v p p ；输出噪声的为5 0 m v p p 。图2 - 1 3 是i a 0 5 0 5 k s 的电路卧1 9 1 。 i a 0 5 0 5 k s 向两片t h 4 5 0 3 运放提供+ 5 v 和- 5 v 电源电压，t h s 4 5 0 3 的电源电流 为3 4 m a ，因此选用i a 0 5 0 5 k s 模块，1 w 的功率即可满足设计。 图2 1 3i b 0 5 0 5 s 电路 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 2 5 2 数字部分电源设计 系统中d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 和其他数字电路芯片需要两种电源：d s p 内核需 要1 2 v 电压，而d s pi 0 需要3 3 v 电压，在上电过程中，需要保证内核优先供 电，外围i o 后供电，内核最晚也要与外围i o 电源同时供电，否则会导致d s p 的输出端出现大电流，这降低器件的使用寿命，甚至损坏元器件；在系统断电时， 首先要使外围i o 电源先断电，然后内核电源断电，内核最晚也要与外围i o 电源同时断电。 本设计采用t i 公司的t p s 5 4 3 1 系列电压转换芯片刚，分别产生d s p 内核 电压和外围i o 电压。t p s 5 4 3 1 系列是低电压输入、大电流输出的同步p w mb u c k 降压式电压转换器，p w m 频率范围可以固定在3 5 0 k h z ，5 5 0 k h z 也可从2 8 0 7 0 0 k h z ，外围电路仅需少量阻容器件，6 0 mq 的m o s f e t 开关管保证了在持续3 a 的输出电流时超过9 2 9 6 高效率；输出电压有o 9 v 、 1 2 v 、1 5 v 、1 8 v 、2 5 v 、 3 3 v 几种，初始误差为1 ；p w p 封装的加强散热型芯片提供了良好的散热效果， 而且节约了p c b 面积和成本； 选用t p s 5 4 3 1 2 为d s p 内核提供1 2 v 电压、选用t p s 5 4 3 1 6 为d s p 的i o 提 供3 3 v 电压，具体连接如图2 - 1 4 ，为设置芯片开关频率为7 0 0 k h z ，在r t 与 a g n d 引脚间串联一个7 1 5 k 的电阻并保持f s e l 引脚开路；p h 引脚输出滤波电感 选用5 2 u h 贴片电感。为满足d s p 上电顺序，需要利用t p s 5 4 3 1 系列芯片中的 s s e n a 引脚调整，该引脚通过一个低容值电容接地可完成延迟开启时间的功能 ( 输出延迟和电压上升延迟) ；两种芯片基本连接方式基本一致，仅在s s e n a 引脚处外接不同值电容接地。t p s 5 4 3 1 2 的电路中s s e n a 引脚选用c s s = o 0 3 9 u f 电容接地，而t p s 5 4 3 1 6 电路中s s e n a 引脚则选用c s s = o 1 u f 电容接地，根据公 式 t d - c 等 ( 1 ) t 胬= c 丽0 7 v 1 6 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 式中：c ( 哟为s s e n a 引脚所接电容( f ) ，t d 为输出延迟时间( s ) ； t 鹞为e g 玉, a ：升延迟时间( s ) ； 根据式( 1 ) 、式( 2 ) t p s 5 4 3 1 2 芯片的t d 、t 路分别为9 3 6 m s 和5 4 6 m s ； t p s 5 4 3 1 6 芯片的t j 、t 路分别为2 4 m s 和1 4 m s ； 通过使用不同大小的电容，这样就可以保证d s p 内核可先于外围i o 供电 2 3 s 。 图2 1 4t p s 5 4 3 1 2 电路设计 2 6d s p 设计 2 6 1d s p 芯片的选型 作为整个系统的核心器件，d s p 的选型对整个系统起着至关重要的作用，在 选择使用哪种型号的d s p 器件时，要根据设计的需要从以下几方面考虑： 1 芯片生产商的选择：d s p 的主要生产厂家有t i 、a d 、m o t o r o l a 等，但 t i 公司的产品市场份额较大，网络资源丰富且有丰富的开发工具，其开发套件 价格较低，因此首先考虑选用t i 的d s p 芯片。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 2 器件类型选择：d s p 类型主要分为定点与浮点。定点d s p 在编程时，由于 定点数表示范围是一定，在运算过程中结果容易超出数值的表示范围，因此要考 虑数据溢出问题，定点d s p 只适用于对计算精度要求不高的场合。t m s 3 2 0 c 6 7 x 是t i 公司的浮点d s p 芯片，考虑到本设计方案中需要进行大量的f f t 并且对计 算结果精度要求较高，因此选用该系列浮点型d s p 可以节约出更多的时间致力于 算法的实现。 3 器件速度：d s p 的工作包括，读取e m i f 总线上的时域数据、完成f f t 算法、 p c 机通过d s p 的h p i 口读取频域数据等，因此数据采集系统的整体处理能力受 d s p 芯片速度的制约。 综上所述选用t i 公司的浮点型d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 作为系统的处理器。 2 6 2t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 结构简介 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 是1 9 9 7 年美国t i 公司推出的d s p 芯片，这种d s p 芯片是定点 和浮点兼容，其中定点系列是t m s 3 2 0 c 6 2 x x 和t m s 3 2 0 c c 6 4 x x 系列，浮点系列是 t m s 3 2 0 c 6 7 x x 2 1 - 2 2 1 。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 片内有8 个并行的处理单元，分别为相同的两组。d s p 的体系 结构采用甚长指令字( v l i w ) 结构，单指令字长为3 2 b i t ，8 条指令组成一个指 令包，总字长为2 5 6 位。芯片内部设置了专门的指令分配模块【2 1 1 ，可以将每个 2 5 6 b i t 的指令包同时分配到8 个处理单元瞄】，并有8 个单元同时运行。芯片最高 时钟频率为3 0 0 m h z ，芯片内部8 个处理单元并行运行时，其最大处理能力可达到 4 0 0 m i p s 。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 为t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ( 已停产) 的升级产品。t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 为浮 点型d s p ，其内部结构采用哈佛结构且具有双层的c a c h e 结构，程序总线和数据 总线分离，最高时钟可以达到2 2 5 m h z ，每秒钟能处理2 0 0 0 m 浮点运算指令。 另外它的内部资源丰富：1 个e d m a 模块【2 1 1 、2 个1 2 c 通讯口，1 个通用输入 输出模块g p i o ，2 个3 2 位的通用定时器，2 个多通道缓冲串口、2 个多通道音 频串口，1 个外部存储器接口e m i f 以及1 个1 6 b i t 的主机接口。 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 图2 1 5 内核结构 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 的处理器主要由：c p u 内核、外设以及存储器构成。c p u 中的 8 个功能单元可以进行并行操作。数据通道中有2 个通用寄存器组，每组寄存器 均通过1 6 个3 2 位的寄存器组成【矧，分别为a o - a 1 5 ，b o b 1 5 。每个通道都有4 个功能单元( l 、s 、m 和d ) 如表2 - 3 。 表2 - 3 功能单元 功能单元浮点操作 l ( l 1l 2 )算术运算，数据格式的转换 s( s ls 2 )比较、开方、绝对值、数据格式转换 m ( m 1m 2 )3 2 x3 2 位定点乘法、浮点乘法 d( d ld 2 )3 2 位偏移地址双字的装载 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 内部结构中，d s p 内存与外设之间的通道是e d m a ，即增强型 1 9 基于u s b 2 0 与d s p 技术的数据采集及实时处理系统的设计 直接存储器访问控制器，它是t i 公司c 6 7 x 系列d s p 在内部r a m 与外设间建立起 的高速的数据通道，e d m a 控制器主要由传输控制器和通道控制器两部分组成， 一切的数据传输，包括内存与e m i f 之间的数据传输，主机和内存之间数据传输， 都通过传输控制器实现。而通道控制器，用户可以通过编程设置选择d s p 的几种 传输方式如一维，二维数据传输。 2 6 3t