（生物医学工程专业论文）基于PCI和以太网接口的多通道高速数据采集系统.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb i o m e d i c a lr e s e a r c h ，t h es t u d yo ft h ec e l lm e c h a n i s m t h r o u g ht h em e a s u r e m e mo ft h ec e l lb i o e l e c t d cs i g n a l su s i n gn e u r a lc h i pi sab o o s t n g a r e a i td e m a n d sn o v e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , w h i c hc a l lo b t a i nm u l t i c h a n n e ls i g n a l s s i m u l t a n e o u s l y ，s u c ha s3 2 , 6 4o r1 2 8c h a n n e l s ，a n dp a l lp r o d u c es t 妇u l a t i o n s a t p r e s e n t , d o m i n a n tp r o d u c t si nt h i sa r e aa r ef r o ma b r o a dc o m p a n i e s ，a n dd o m e s t i c p r o d u c t sc a l ln o ts a t i s f yr e s e a r c hr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rp r e s e n t sam u l t i c h a n n e lh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do np c i a n d d s p t h e s y s t e m c a 琏b ea p p l i e d t o t h er e s e a r c h o f n e u r a l 曲斌a n dr e a c h t h es a m e l e v e lo ff o r e i g np r o d u c t s i th a s7 2s i m u l o u ss a m p l ec h a n n e l s ，p r o g r a m m a b l es a m p l e f r e q u e n c y 岱o 】t1 0 0 k , 2 0 0 k h z ) , a n d4o u t p u tc h a n n e l so fs t i m u l a t i o n t h es y s t e m u t i l i z e sc p l dt or e a l i z el o # c 斌a n dt i m i n gc o n t r o lb e t w e e nd s pa n dm u l t i - c h a n n e l a d et h ei n t e r f a c eb e t w e e nd s p sh p ia n dp c ib u si s e m p l o y e dt oa c h i e v e l l i 醇* s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es y s t e m ss o f t w a r ea n d h a r d w a r e a tl a s t ，w ed e v e l o p e dt h ed a t at r a n s m i s s i o nh a s e do ne t h e m e t , w h i c hc a l lb e t h ef o u n d a t i o no f t h ee m b e d e d s y s t e mi no u rf u t a r es t u d y k e y w o r d ：m u l t i - c h a n n e lh i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nd s pc p l dp c ia r mu c l i n u x e h t e m e t 娃 第一章绪论 1 1 数据采集系统概述 数据采集是对一个或多个信号获取对象信息的过程。数据采集器是一种具有 实验室或现场进行实时数据采集、自动存储记录、信号预处理、即时显示、即时 状态分析、自动传输等功能的自动化设备。数据采集系统广泛应用在测量、军事、 航空、雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、震动工程、无损检测、语声处理、 智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域。【1 】1 由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采 集系统( d a s ) 。目前有的d a s 产品精度己达1 6 位，采集速度每秒达到几十万 次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术。按数据总线的形式划分，目前 数据采集系统可分为并行总线数据采集系统和串行总线数据采集系统。 并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有 p c i 、v x i 、p x i 总线系统等，数据位己达1 1 j 3 2 位总线宽度，采样频率可以达到 1 0 0 m s p s 。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分 保证其稳定性及可靠性。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向 发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用r s 4 8 5 、双绞线、 电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据 采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。由于目前局域网技术的发展，一个工 厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起， 可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集 与监控。 1 2 用于神经芯片的数据采集系统 在生物医学工程领域，数据采集系统用于采集生物医学信号，包括心电，脑 电，细胞电位等。随着细胞培养技术和半导体微细加工技术的发展，以活细胞作 为敏感元件的细胞传感器和神经芯片，已成为生物传感器研究领域的一大热点。 专孛经芯背是毒孛经缨麓嚣终辫电路之润靛褥粱，透过它蕞眭霉荽秘经露豹静惠魄蹙窝 动作电位等信号传递给外豳电路进行电生理活劝的实时无损测缴。芯片技术可以 霹鼓糕爨不爵位鼗瓣动童# 彀诬，实瑷缨照阉熬耩食溅爨，茏按、阏步避记最多令 可兴奋细胞或组织的动作电位的传播。细胞芯片不仅可以研究神经元的电擞理现 象，也戆疆究细魅闻麴遥谶。磅究魄较多的主要有场效应喾阵列( 惩秘鞠皴逛 极阵列( m e a ) 。f e t 和m 队还可以用来记录神经组织切片的活动。【2 】2 嗅爨芯片的磷究，是在电子鼻和纲腿传感嚣磅究懿麟破上，试婴在芯冀的器 件表面培养嗅觉感受神经元，通过气体分子嗣神经元膜袭面嗅觉蹙体结合产生的 动作电德的记录，达到气体检测的一种更具铰艇意义的生物电子募芯诗，瘸予雄 经芯片的一种。通过脑功能定位技术，我们对嗅觉通路、脑区嗅馓中枢功能区的 定位有一定的认识，因而可殴在嗅凳中枢植入电极以实现“脑极接日”。“膝机接 口”是指一种不依赖于脑的正常输出通路( 即外周神经和肌肉) 的脑机( 计算 机或其他装置) 避讯系统f 3 l 。它通过采集和势拆人脑生物电信号，在入腕与计 算机或其它电子设备之间建立起直接交流和控制的通道，这样人就可以通过脑来 表达意愿或操纵设备，而不需要语言或肢体动作。 根攒神经芯片的特点，与常规的数据采巢系统相比，用于神缀芯片酌数据采 集系统需要满足如下要求：通道极多( 3 2 ，6 4 ，1 2 8 通道) ，采样频率为几十k h z ， 采样方式为同步莱集，所强数据传输带宽也较大( 凡m b y t e s ) 。目前，在此领 域享有盛名的是美 虱c y b e r k i n e t i c s 公词和德i 虱m u l t ic h a n n e ls y s t e m s 公司开发的 产品鞠 x 1 2 8 通道采集 每通道3 0 ks p s 采样速率 1 6 b i t 采样分辨率 放大倍数：5 0 0 0 输入噪声：每通道3 u v r m s 输入电压范围为+ - 7 5 m v 1 2 2 m e 系统 德国m u l t ic h a n n e ls y s t e m s 公司的m e 系统是一套完整的系统用于体内体外 进行微电极阵列的数据采集系统。从电极上获取的原始数据通过固定增益的滤波 放大器( f a ) 或程控增益的放大器( p g a ) 处理后通过a d 面板输出到电脑上获 取数据的m c 卡中。在p g a 中，增益通过f i l t a m p 程序灵活的调节。m cr a c k 软件对记录的数据进行绘图，分析，检查后输出。系统提供1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 输 入通道的不同版本可供选择。 系统主要参数如下： 1 2 8 通道同步数据放大和采集 可编程增益l o - 5 0 0 0 倍 输入电压范围+ - 4 0 0m v + - 4 v 1 2 3 国内同类产品的现状 而目前国内用于这个领域研究的，采样速率大于2 0 k h z c h a n n e l 、采样通道数 多于3 2 通道和采样分辨率高于1 2 b i t 的高质量的多通道高速数据采集系统却很少 见。国内厂家提供的同类产品以代理的国外产品为主。而国内厂家生产的类似产 品，如上海医疗器械高技术公司的八道脑电图机，江苏伟思电气有限公司的便携 式脑电仪，通道都没有达到3 2 通道。 如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信 号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。 2 ，采样速率：这一参数决定了每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速 率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。 3 ，分辨率：模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高， 信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。图2 1 显示了一个正弦波和使用一个理想的3 位模数转换器所获得的相应数字结果。一 个3 位变换器可以把模拟范围分为8 个区间。每一个区间都由在0 0 0 至1 1 1 内的一个 二进制码来表示。很明显，用数字来表示原始模拟信号并不是一种很好的方法， 这是由于在转换过程中会丢失信息。然而，当分辨率增加至1 6 位时，模数转换器 的编码数目从8 增长至6 5 5 3 6 ，由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的 情况下，可以对模拟信号进行非常准确的数字化。 图2 1 三位分辨率下正弦波的数字化 4 ，量程：量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。一般多功能数 据采集设备能对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。由于 具有这种灵活性，可以使信号的范围匹配a d c 的输入范围，从而充分利用测量 的分辨率。 5 ，编码宽度：数据采集设备上可用的量程、分辨率和增益决定了最小可探 测的电压变化。此电压变化代表了数字值上的最低有效位1 ( 工s b ) ，也常被称 为编码宽度。理想的编码宽度为电压范围除以增益和2 的分辨率次幂的乘积。例 如，一种1 6 位多功能数据采集设备可供选择的范围为0 1 0 v 或一1 0 l o v ；可供 选择的增益：1 ，2 ，5 ，1 0 ，2 0 ，5 0 或1 0 0 。当电压范围为0 1 0 v ，增益为1 0 0 时， 理想的编码宽度由以下公式决定： 意叫- 矽 6 ，多路复攫功毖：多鼹复用是使用单个溅量设备采测量多令痿号魏零翅技 术。模拟信号的信号调理硬件常对如温度这样缓慢变化的信号使用多路筮用方 式。a d ：聚集一令暹道最，转换到另一个逶邀莛进行采集，然嚣再转换到下一 个通道，如此往复。由于嬲一个a d c 可以采熊骞个通道而不是一个通道，每个 逶道的夺效采样速率和掰采撵的透遵数呈反比。 7 ，噪声：在数据采集设备的数字化信号中不希望出现的信号即为嗓声。因 为p c 是一个有噪声的数字化环境，赝以在插入式设备上作采集工作需要缀验丰 富的模拟电路设计人员在多层数据采集设备上精心布线。简单地把一个模数转换 嚣、仪搠放大器和总线接掰电路布置在一个一屡或两层扳上，这榉开发出的设备 会有非常大的噪声。设计者可以使用多层板来降低嗓声。 在模拟输出方面，经常器要模拟输出电路来为数据采集系统提供激励源。数 模转换器( d a c ) 的一些技术指标决定了所产生输出信号的质爨一稳定时间、 转换速率和输出分辨率。 1 ，稳定时阍：稳定时闯是指输如达到戴定精度辩所需要的时褥。稳定时阊 通常由电压上的满量程变化来规定。 2 ，转换速率：转换速攀是指数模转换器掰产生豹输出信号的最丈变纯速率。 稳定时间和转换速率一起决定模数转换器改燮输出信号值的速率。因此，一个数 模转换嚣在一个小的稳定辩闻相一个离静转挠途率下可产生高额率酶信号，这是 因为输出信号精确地改变鬟一个新的电压值遗过程所需要的时间极短。 3 ，输出分辩率：输出分辨率与输入分辨攀类镁；它篷产生模援输趣的数字 码的位数。较大的位数可以缩小输出电压增量的量值，因此可咀产生更平滑的变 纯信号。对于要浓动悫范鬻宽、蹭璧，j 、豹模攒输建l 痘麓，需要聋寓分辨率麴电压 输出。 数据采集嚣分采集豹数据需要遥过与p c 约数据接转跨输绘爹。数据接盈钰 括更高性能的p c i 、p x i c o m p a c t p c i r q i e e e l 3 9 4 ( 火线) 总线以及传统的i s a 总 线和u s b 慧线。p c i 蒽线嚣孙s b 接强怒嚣蓠缝大多数台裳诗算瓿豹拣瀑设备，纛 i s a 总线已不再经常使用。随着p c m c i a 、u s b 和i e e e1 3 9 4 的出现，为基于桌面 p c 鳇数攥采集系绫提供了耱更为荧溪夔总线替找选器。对于傻蘑r s - 2 3 2 或 r s 4 s s 垮蜀通信瓣远程数攥来囊应溺，串墨蘧僚熬速拳常掌会筏数据吞睦爨受到 限制。在选择数据采集设备和总线方式时，请注意所选择的设备和总线所能支持 鳇数据传辕方式。 2 1 4 p c 和p c 上的软件 计算机的数据传送能力会极大地影响数据采集系统的性能。所有p c 都具有 胃编鞋润 移孛蘸传送方式。嚣翦绝大多数令久电藏霹激镬臻誊按巍存谤潮 ( d i r e c t m o r ya c c c s s ，d l a ) 传遴方式，它使用专门的硬件搬数据直接传送 銎| 诗箕辊内存，袄嚣挺亵了轰统豹数据吞睦繁。采薅这糖方式螽，整理器不需要 控制数据的传送，因此它就可以用来处理更复杂的工作。为了利用d m a 或中断 转送方式，鼗撂浆爨蹬鍪必须能支持这些转送类型。铡翔，p a 、| s a 帮瑶嚣嚣1 3 9 4 设各可以支持d m a 和中断传送方式，而p c m c n 和u s b 设备只能使用中断传送 方式。掰选震嚣数据抟送方式会影魄数据采集设釜瓣数据吞蛙羹。 限制采集大擞数据的因素常常是硬盘，磁盘的访问时问和硬盘的分区会极大 建降低数据采集稠存德l 襞蠢豹最大速搴。露予要求袋嶷高频偿号豹系绫，藏需 要为p c 选择高速硬盘，从而保证有连续( 非分区) 的硬盘空间来保存数据。此 终，要用专门的骥擞进蜇罴察著且在恕数据存镳刭磁盘露镬羯另令独立熬磁盘 运行操作系统。对于要实时处理高频信号的应用，需鼹用到3 2 位的高速处理器 殴及攘废雏协处理嚣或专髑鲍捶入我处理器，翔数字信号处理( 璐p ) 板卡。然 而，对予在一秒内只需采集成换算一两次数据的应用蓉统而言，使用低端的p c 就可以滚足要求。 软件使p c 和数据采集硬件形成了一个完熬的数据采集、分析和显示系统。没 有软 牛，数据采集硬件是糍无恩处的一或者使用比较差敕软件，数据采集硬锋也 几乎无法工作。p c 的软件包括驱动软件和应罔软件。 软件层中的驱动软件可以直接对数据采集硬件的寄存器编穗，管理数据采集 硬件的操作并把它和处理器中断，d m a 和内存这样的计算机资源结合在一起。 驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编稳细节，为用户提供容易理解的接口。随着 数据采集硬件、计舞杌和软件复杂程度韵增加，好的驱动软件就显得尤为重要。 合适的驱动软件可以晟佳地结合灵活性和高性能，同时还能极大地降低r 歼发数握 采集程序所需的时间。 应用软件通过驱动软件和数据采集硬件连接，接收采集数据，提供系统控制 功能，也增加了数据分析、显示、管理的功能。 2 2 数据采集系统的设计方法 2 2 1 数据采集系统的测试对象 首先数据采集系统的设计必须关注系统的测试对象即是被测信号的特性。被 测信号是由传感器产生的。在被测信号的特性方面主要考虑以下问题： 1 ，信号的性质：模拟信号或数据信号 2 ，信号的强弱和动态范围 3 ，信号的频率特性 4 ，信号的数量 5 ，信号的输入方式：单端或差动输入、单极性或双极性 6 ，信号的噪声特性 7 ，信号的源阻抗特性 2 2 2 数据采集系统的指标 数据采集系统的主要技术指标有： 1 ，系统的通过速率。系统的通过速率通常又称为系统速度、传输速度、采 样频率或吞吐率，是指在单位时间内系统对模拟信号的采集次数。通过的速率的 倒数是通过周期( 吞吐时间) ，通常又称为系统响应时问或系统采集周期，表明系 统每采样并处理一个数据所占用的时间。它是设计数据采集系统的重要技术指 标，特别对于高速数据采集系统尤为重要。在多通道数据采集系统里，系统的通 过速率为单通道的通过速率与通道数的乘积。 2 ，系统的分辨率。系统的分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最 小变化量。通常用最低有效位值( l s b ) 、系统满刻度值的百分数( f s r ) 或系统可 分辨的实际电压值等来表示。 3 ，系统的精度。系统精度是指当系统工作在额定通过速率下，系统采集的 数篷稆实舔篷之蓑，宅表甥系凌误差熬慧帮。 2 2 3 数据采集系统总体设幸 的方法 在豢统总体设计阶段，一般做以下几项工作。 i ，确定数据采集系统的基本结构。按照被测痞号的特点鞠数据采集系统豹 性能要求，合理选择确定系统的基本结构。 2 ，避荨亍硬薛帮软箨的翡毵分配。数据采集系统是交硬俘帮较怿共同缎残靛。 根据系统的基本结构，再考虑系统的易开发性和可拓展性对系统进行功能分块。 3 ，缡纯各功麓块豹实现。辗据备功藐块袋实褒豹秘镌，缨健具律采弼侮种 方式实现功能。主藤包括硬件实现中，采用何种芯片，何种硬件组织方法究成功 能；在较俘串采惩侍么语言鞫开发镪究戒璃麓簿。 4 ，系统功能验证。完成前三项步骤后，需要按照细化的功能块组成的系统 进行一个缨致浆考察，验诞魏系统燕蚕犍到达弱系统嚣橱； 2 3 本系统的总体设计 2 3 1 本系统的测试对象 本系统的测试对象是生理电信号，包括培养在细胞芯片上的细胞动作电位、 心电、熬电等信弩。这些镀号静将煮燕：是锾璃静模赫信号，毽蕊号幅度数量级 跨度很大，通常从几个u r n 几十个m v ；信号频率主要在1 k 左右，但是在有的研 究里，霹辘震要了勰l o k 墓囊到1 0 0 k 簇率豹髅号；癌号数量逶常缎多，一羧为是 十个；信号内阻比较大，为几十k 左右，且共模干扰比较大。 与遗豢鳃数撼采集系绞籀览，本系统圭要嚣要注意瓣是信号瓣个数班及涟爱 的通道数。由于细胞阵列传感器都在几十个信号左右，而且为了保证信号的同步 特性，袋集系统不采角多鼹菱燕技零，嚣采鞠羁步采集静方式。 同时，研究述需要激励源产生刺激信号刺激细胞产生动作电位进行研究。 1 l 2 3 2 零系统懿总体设计方案 报摆测试对象，本系统蜜理6 4 遴道同步数据采集，采撵频率为4 0 k 。本系统 除了必须采用同步采集的方式外，躐通用的数据采集系统功能一样，所以参考通 用数据采榘系统的结构，系统由5 部分构成： 传感器 信号邂理部分 数据采集部分 数据传输部分( 由数据采集和p c _ k 的驱动软件共网组成的数据接口) p c & 的应用软件 本系统为一个十分复杂的系统，因此在人受上进行了一定分工。从此处开始， 本论文鼠涉及讲述系统的数据采集部分和数撼传输部分( 包括p c 的驱动软件) 。 而传感器、信号调理部分、p c 上的成用软件等内容将在另一位嘲学中的论文中 阐述。 数据采集部分的细化设计如下：由于采用并行同步的方式采粲信号，将使用 多片a d c 完成功能，故需要数字电路实现多片a d c 豹工作时穿。阐对，按照以 徒设计系统的经验，采用一片m c u u 以通过编程来控制系统工馆，采集数据， 与p c ：通镑等。同时，系统迸需要d a c 产生研究所需要的枣8 激痞号。 为了提高系统分辨率，初始设计1 6 位分辨率a d c 。系统数据带宽为：系统 的通过速率( 2 。5 6 m sx2 b y t e = 5 1 2 m b y t e s ) 。由藏确定靛数据 输都分需 要完成5 m b y t e s 的数据带宽。在p c 的高速数据接口中，主要有p c l u s b ，1 3 9 4 ( 火 线，鞋太涮接叠( e t h e m e t ) 等死秘接霉可班选择。璐疑过铡试，实际速度在 1 0 m b y t e s 左右，虽然理论速度在4 8 0 m b i t s ，但实际开发能够达到这个水平还存 在疆翔；实验室激麓在p c i 静并发赣_ 过一些工箨，霞焉一头羝端豹p 岱按疆蕊片 能够达到1 m b y t e s 赢右，使用高端i 拘p c i 接口芯片能够接近1 2 m b y t e s ：而火线技 寒没有技术获累；e t h e m e t 按* 在1 0 u 弼蠹能逡秘1 m b y t e s ，在1 0 0 m 羁内熊达到 5 m b y t e s 左右。 摄撼弑上分辑，数据转埝模块慕鼹陀l 搂目凌术，突垒灌是数据俦输带竟。 同时，为了系统能适应远程测量的场合，克服p a 接口投术距离不远的缺点，也 对毁太翻按疆熬方寰痒了一磐研究。 经避系统缀诧舞，系绞豹慈嚣穷案框图懿强2 2 瑟拳。 图2 2 系统总体设计框架 由于慕于p o e m 的多遁道高速数据采集系统已经汗发成功，所殴在第三章 详细讲述撼于p a 接口的多通道高速数据采集系统的实现。而在第四章讲述本系 统的戳太阚接口豹实现。 第三章基于p c i 接口的数据采集系统实现 3 1 设计思路 根据2 3 2 节本系统的总体设计方案可以看出，系统主要分为两个部分：数据 采集部分和数据传输部分。而且在数据传输部分，提供p c i 和e t h c m c t 两种接口， 所以首先希望在数据采集部分提供一个通用的接口供数据传输部分传输，这样数 据采集部分和数据传输部分就可以分开独立设计，调试与测试，给设计实现带来 很大的方便。 可见在实现数据采集部分，最重要的是首先实现一个通用的供外部主机访问 的数据接口。这个接口如果用硬件实现，可能与读取前端的采样数据有关系，相 当复杂，如果采用微处理器m p u 实现接口，则可以通过软件方式，将读取前端 数据和提供接口传输数据到数据传输部分分离开，而且通过软件控制整个系统工 作是相对容易的工作，所以在数据采集部分采用m c u 作为控制核心是很理想的 方案。其他的工作是选择合适的a d c ，采用合适的数字电路实现多片a d c i 作 的逻辑和时序。完成芯片选择后，进行原理图和p c b 板的绘制，之后进行软硬件 调试完成系统。 而对于数据传输部分设计思路相对简单，主要是选择p c i 接口芯片，在此基 础上实现两个数据接口：与数据采集部分的接口和与p c 的接口完成数据传输功 能。 接下来，详细讲述两个部分的具体实现过程。 3 2 数据采集部分实现 如2 3 3 本系统的总体设计方案和3 1 设计思路中所述，数据采集部分由m c u 系统、控制时序逻辑的数字电路部分、多片a d c 组成，可能还需要其他部分实 现数据接口。 3 2 1 芯片的选择 3 2 1 1 微处理器的选择一d s p ：t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 m p u 的主要功能有三个： 1 ，控制系统运行 2 ，读取a d c 转换采集结果 3 ，提供数据接口，传输采集数据给数据传输模块 在此功能考虑的基础上，选择数字信号处理器( d s p ) 作为系统微处理器是 一个很好的方案。d s p 速度极快，一般都在1 0 0 m i p s 以上，而且d s p 常常作为协 处理器使用，所以d s p 也容易扩展外部数据接口供外部主机访问。 d s p 选择使用1 1 公司的高性能数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 1 7 8 1 。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是建立在哈佛结构上的定点d s p ，具有1 个程序总线和3 个数 据总线。哈佛结构是不同于传统的冯诺曼结构的并行体系结构，其主要特点是 将程序和数据存储在不同的存储空间中：程序存储器和数据存储器是两个相互独 立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中 设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺 曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址、依靠指令计数 器提供的地址来区分是指令、数据还是地址，取指令和取数据都访问同一存储器， 数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执 行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，5 4 0 2 在基本哈佛结构 的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接 使用，增强了芯片的灵活性：二是指令存储在高速缓冲器( c a c h c ) q b ，当执行此指 令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。与哈佛结构 相关，5 4 0 2 采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。 它的流水线周期有6 个操作阶段或者说是操作周期。各个阶段相互独立，这样在 一条流水线中有几条不同的指令可同时处于不同的阶段进行各自的操作。在任何 一个操作周期，少则一条，多则六条指令可同时处于流水线的不同阶段。 高速完成乘法加法是d s p 的一个标志，在5 4 0 2 中乘法0 7 x 1 7 b i 0 可以附带 蛰戆存德器、t 孛瓣1 6 毙特数、数鬟存德器孛嚣令1 5 凌特字、数藏存 i 耋器中3 2 魄 特字、累加器中4 0 比特字。 2 + 4 0 比特弱累热器，分为三令都分，绦妒位( 3 9 - - 3 2 比特 、毫位字( 3 1 - - 1 6 比特) 、低位字( 1 5 - - 0 比特) 。 撬燮移位器，可产生o n 3 1 比耱麴左移或0 n 1 6 毙特憋考移。 1 7 x1 7 比特的乘法器 4 0 魄特的搬滋器 4 k 1 6 b i t 的片上r o m 1 6 k x1 6 b i t 的片上r a m 共育2 0 根地址线，可寻址6 4 k x l 6 b i t 数据空问、1 m x l 6 b i t 程序空间和6 4 k 雒j 聃空间 片上的外设包括： 软件可编程等特状态发生器和可编程地城页切换 片上的p l l 时钟发生器 2 个雾通道缓冲串日( m c b s p s ) 增强型的8 位并行主枫接口( h p l 8 ) 2 个1 6 位定时器 6 通道d 燃制器 ( 3 ) d s p 与盎机的通讯【9 】 * d s v 的井设中，增强塑的h p i s i z l 是最鬟要豹，h p i v i 是8 位的并行搂固，用 于d s p 器件和主机的通信。 主辘帮5 4 0 2 之滴交换信息对，都怒遥过主枫接口访翔5 4 0 2 的片肉存储器来实 现的。对于主机而亩，主机接口作为外设，生机控制h p i 方便主机操作。h p i t 虢逢址朝数据寄存器只髓自主辊壹搂访嗣，h p i v t 豹控铺寄存嚣可敬被主枕和 5 4 0 2 访问。 5 4 0 2 9 8 证蠡冬方式接收 瑶i 魏1 6 像数据，然螽舍袋搀1 6 使的数据。当主辊蒋 送( 或接收) 一个数据时，h p i 的控制逻辑利用5 4 0 2 片内d a r a m 的一个2 k 字节的 p i p 臻穗嚣块来竞戏铸辕f 接彀数据) 。h p i 豹r a m 遣焉隰耀俸通瓣双操撵数据或 程序r a m 。 l 撵l 毒嚣静工作搂式；分享模式s 触嗡耪童撬模式灏o m ) 。势享模式楚一秘 常规的工作模式，5 4 0 2 和燕机都可以访问h p l 存储器，主机的非同步的访问在主 撬接日疼羁步 l 二，翔累主糗与5 4 0 2 翊时谤运辩l 毒德器产生了诤突，赠圭祝捷先 访问，5 4 0 2 延时个周期访问。在主机模式，只有主机能够访淘h p i 存储器，而 5 4 处予复位状态或处于鹰蠢内邦时钟和9 帮时钟都傍止蛉省嘏模式。因烧，只 有主机能访问珈附的存储器而5 4 0 2 处于最低的功耗。 h 残支持主搬薅速顺黪的主枧访阏。在分享模式，l l p i 可以鞋每5 个飘x o u t 周期一个字节的速度与5 4 0 2 通信。当5 4 0 2 工作在c u t 为4 0 m 舭的时钟频率上 时，通傣速率可逡8 m b 受b ，s 。面此时圭机能够充分利用它自己蛉带宽， = 作在 3 2 m 毗频率上，从而不需黉插入等待状态。程主机模式中，主机可支持速度更高 的顺序横式，每5 融$ 一个字节的速艘，日b 2 0 m b y t e s ，此时与5 4 0 2 的时钟无关。 在我们设计的系统中，为了毹够充分利用并行h p i 传输速率高的特点，同时减轻 主机的受担，我们采用了h p i 的分享邂信模式。 由此可见，n s p 使用h n 口作为外部数据接口，d s p 不用做照多的工佧，仅 仅由主枫通过h p l 日熙可访问d s p 的内部r a m 完成通讯。这种结构下，d s p 不用 为一个特定的外部主杌提供软件和硬件支持，提供了一个灵活的接口方案。无论 是采用p a 接口还是e h e m e t 接口传输，数据采嶷部分硬件不需要重新设计，非常 方便，究全能够满足分立数据采集黼分和数懿传输部分豹功能。藏矫， 稃1 日的 最高速率为2 0 m b v t e s ，满足系统数据带宽的要求。所以，选择1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为系统盼m p u 姥理想戆方案。 ( 4 ) 脱机运行设计【1 0 】 雨时豫s 3 衡v 毯4 。2 楚没有菲翁失存储嚣存诺程簿代筠静，单独静黼p 不撬 脱机运行。1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 通过片内掩模的引导装载( b 0 0 t l o a d e r ) 程序与实现 b e o a d e r 过程，在系统穗动静时镁耨低速、嚣易失鲍存德设备主的程孝代羁搬 移进高速的片内蝴中，结束搬移厣，将p c 跳到删中的程序入口地址，运行 程痔。c 黯驻为麟掇运苻毯供了五静癌动装载模式：燃西襄劝模式、标准率 口启动模式、i ，0 口启动模式、串目e e p r o m 肩动模式和并行启动方式。对于以 e 5 糟2 梵核心静独立系统串，著叠鸯鬟载方寨被试为是最佳戆。爨为蔻三秘方寨哭 适用于由其它处理器为c 5 4 0 2 提供远行代码的多处理器系统中，后两种方案虽然 帮可以逡瘟以c 5 4 龆为核心浆独立系统，但是串h e e p r o m 赛动模式孛廷芰薅傍 格偏高的s p i 端d e e p r o m ，而并口启动模式却可以采用e p r o m ，而且并行 联 r o 醚粒f l a s 辩静类缦多，毒蛇傍格较低，因丽可班充分体瑰霰统静矬徐魄优 势。最终选择a m d s h 司的1 m 1 6 b i t 容量的f l a s h ：2 9 l v l 6 0 b 。9 0 。 3 2 1 2a d c 的选择- - a b s 8 3 6 4 a d c 是一个数据采集系统串最燕键的嚣佟，它蒋采集到瓣模拟信号餐纯和 编码后转换为数字信号。a d c 的精度是整个电路和系统精度至芙重要的部分， 掰敬在滋 亍a d c 灏选择之翦，必须x c a d c 戆备耱典型绥构帮伉缺点有一个了解。 同时为了提高系统性能，镒幕在选择前了解a d c 的误麓和精度的指标。 近年来，由予半导体工艺授术麴不颧挺嵩，a d c 发曩禳抉，饺簌结麴上看， 就有双积分型、闪速型、谶续逼近型、插入混叠型、二阶型、过采样型、流水线 鍪、一型、瓣会壁等多耱缕梅，疑每静结搀兹瘟霜领域移霞姨煮氇不鬈相霜。 对于设计各类信号采集系统的工程师来说，设计有些储号采集纂统，选择使用哪 一耱结构熊a o c x 系统槛鼹豹影响菸不一定卡分冁曼，嚣寿些擞诗刘霪蘩尽可 能选用最适合的那一种结构。因此，正确理解a d c 的结构及其性能特点，对更 合理遮筏耀a d e 臻掌必要。下垂簿簧奔绍一下霾蘸枣壤土的四耱主b e a d c 筵 奄： 闪速型( f l a s h ) 、流水线型( p i p e l i n e ) 、一a 型、连续逼近型( s a r ) 。【1 1 i i a s h 型a d c 适用于采集褰速、中低糖度榛号f 8b i 庭右kp i p e l i n e 型a d c 适用予采集 高速、高精度信蛩，精度大于1 2b i t ；s a r 型a d c 电路结构简单。数据吞吐量大， 适用于袋集多路偿号；z - a 渤c 由子霹有敕数字滤波特性，其毒锻好黪抗渥叠 特性，精度可以作的很高f 珂达2 4b i t 以上) ，假其不适合用于采集非周期和多路信 号。由予本系统要求单片a d c 上有尽可能多的圆步采样鳇a d c 单元，且采样频 率不是报快，在几百k 毗发右，所以所选择纳a d c 为s a r 型的a d c 。 在7 解r a d c 的结构乏磊，再对a d c 的精度和误夔蛉指标傲一个俺单的叙 述，这也是选择个合适的a d c 昕必须掌握的。f 1 2 a d c 的精度和分辨率是两个不同的概念。精度是搬转换詹所得结果糕对与 实际值的准确度；分辨率怒指a d c 所能分辨的模拟信母的最小变化值。a d c 的 分辨率的高低取缺于位数的多少。设a d c 的位数是n ，满量程电压是v m a x ，可 褥一个袋小码( 1 l s b ) 分辨褥摸援搂号最枣交强篷是； 1 l s b = v m a x ，2 n 一般来游，分瓣率越蒜，位数越多，耪鹱越裹，转换误差憨，l 、，餐影豌鞲度 得因素较多，还包括线性误差，失调误差，增髓误差，非线性误麓，电源误差等， 所鞋分辨率提裹的a d c 不一定具毒缀亵魏耩发，霭要砖这些参数整体考虑。重 要的静态误差参数包括：线性误差，失调误差，增益谈差；动卷误差参数包括： 信噪比( s n r ) 、有效 e 特位数( e n o b ) ；其匏误差参数包括：温漂，电源噪 声等。 1 ，线性误差攘在没有增益误差秘偏移误燕的条饽下，实际传输曲线姆理想 特性曲线之差。由于线性误差由a d c 固有特性产生，所以线性误差不能进行校 准和修夔。线性误差分为微分非线性( d n l ) 和积分a # 线性( 掰l ) 。 d n l j 巽差定义为实际蠹化台阶与对应于1 l s b 的理想值的差异。理想的a d c ， 其d n l = 0 l s b ，袭示每个模拟量化蠹阶等于1 l s b ，跳变值之闻的间隔为耪确的 1 l s b 。 i n l 误差定义为d n l j 关燕的积分。矾l 误黢表示实掰传输函数背离直线的程 度， ：f l s b 或满量程( f s r ) 的百分措：来度量。玳l 诶簸告诉设计者a d c 酌测量 结果距离理想转换函数值有雾远。 。 2 ，失调误差指使最低有效位戒“1 ”状态时的实际输入电莲与理论输入电压 之差，这一差值电压称作失调电压，一般以满量程电压值的百分数表示。 3 ，增益误差楚指满董稚输出数码时，实际模按输入电压与壤葱摸叛输入电 压之差，使特性曲线绕坐标原点偏离理想特性曲线一定角度。增箍误差的数值一 般惩满鬣程电压的西分数表示。 失调误差和增益误差会减d x a d c 的动态藏围，可以通过软件校准来修正其 误差。 4 ，s n r 定义为：满量程模拟输入信号的均方根值( r m s ) 与其量化误差均 方摄毽之阮。 在黉阅了大擞芯片资料后，选择t i 公司的a d s 8 3 6 4 作为系统的a d c 0 3 。 a d s 8 3 6 4 不仅霹敬撵供2 5 0 k s p s 露步采样，还萄提供吴鸯超低功裁 ( 6 9 m w s g c 通道，艟片4 5 0 m w ) 且数字接口电压介于2 7 v 到5 5 v 2 _ 闻。该设备 堕一 的连接。 c p l d 芯片是特殊的a s i c ( a p p i i c a t i 帆s p e c i f i ch n e 掣a t e dc 如u i t s ，专用集成 电路1 ，它除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： ( 1 ) c p u ) 芯片的规模越来越大，其单片逻辑门数己达到数十万门，它所能 实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 ( 2 ) c p l d 的资金投入小，节省了许多潜在的花费，而且c p l d 的研制开发 费用也相对较低。 ( 3 ) c p l d 芯片和e p r o m 配合使用时，用户可以反复地编程、擦拭、使用。 ( 4 ) c p l d 芯片的电路设计周期很短，适合于正向设计f 从电路原理图到芯 片级的设计1 。 ( 5 ) 电路设计人员使用c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c f 集成 电路) 深层次的知识，c p i d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电 路设计。 2 ，c p l d 的选型 由于本项目电路接口较多，功能也比较复杂，所以选用了a 1 i e r a 公司的可编 程逻辑器件e p m 7 1 6 0 芯片【1 4 】。e p m 7 1 6 0 内部集成了5 0 0 0 门，可用的加引脚数随 封装不同有6 8 ，8 4 和1 0 0 三种规格。它有1 6 0 个宏单元，每个宏单元有一个可编程 的“与”阵和固定的“或”阵，以及一个具有独立可编程时钟、时钟使能、清除 和置位功能的可配置触发器。为了能构成复杂的逻辑函数，每个宏单元可使用共 享扩展乘积项和高速并联扩展乘积项，向每个宏单元提供多达3 2 个乘积项。这一 特点使它更适合采用e d 舡具进行自动逻辑综合。e p m 7 1 6 0 的结构可1 0 0 模仿 t r l ，并且将s s l ( 小规模集成) 、m s i ( 中规模集成) 和l s i ( 大规模集成) 的逻辑功能 高密度地集成。我们可以通过p c 反复的擦除和修改逻辑关系，实现在线更新。 3 2 1 4 设计中新增加的数据缓冲一n f o ：s n 7 4 v 2 2 5 在选定了d s p ，a d c ，c p l d 后，可以初步设计数据采集部分工作情况。多 片a d c 同时采集数据，d s p 读取a d c 转换的结果。c p l d 提供a d c 的工作时序， 同时通知d s p 按时读取a d c 的转换结果。在此工作模式下，单片a d c 工作在相对 较低的频率下( 4 0 舷) ，而1 0 片a d c 共6 0 通道，数据量为2 4 m w o r d s ；而d s p 图3 17 4 h c 4 0 6 0 结构图 在输入端，通过一个无源晶振和几个电阻电容就能和片内的时钟输入端配合 成为一个时钟发生电路，而芯片可通过硬件二进制分频产生低频时钟，避免使用 c p l d 资源进行分频，是一个灵活的时钟方案。为了与c p l d 配合，芯片采用5 v 供电。 3 2 2 3 系统接口设计 采集部分主要提供两个接口：与信号调理部分的接口和与数据传输部分的接 口。 与信号调理部分的接口包括： 1 2 片，共7 2 个a d c 输入通道，与信号调理部分匹配，实际有效使用“逶道 1 y f d a c ，4 d a c 输出通道 4 线的程控增益接口 4 线的程控增益接口是通过1 2 c 总线访问信号调理部分的数字电位器，调整数 字电位器阻值完成程控增益的。d s p 的专用i o 只有两根，所以使用m c b s p 的通用 i o 模式，与d a c 连接和提供程控增益接口。由于d a c 接口是5 v ，所以d s p 的 m c b s p j ：的1 0 1 ：3 线通过c p l d i 构i o p e nd r a i n 功能匹配为5 v 接口。 与数据传输部分的接口b o h p i 接口。 3 2 2 4 细化的系统结构图 数据采集部分实现5 0 k h z 的6 4 通道a d c 采集和4 通道d a c 输出。如图3 2 c o 数 据采集部分所示，d s p 向c p l d 发送启动信号，c p l d 产生4 0 k h z 采样时序启动1 2 片a d c 并行同步采集并保存a d c 结果t j f i f o ，每1 0 次采集产生中断( 中断频率 为4 k h z ) ，通知d s p 读取f i f o 完成数据采集。d s p 进行采集数据读取和实时处 理，c p l d 实现采样的逻辑和时序控制，f i f o 作为d s p 和多通j 幽d 3 c 的数据缓存 消除低速模拟前端数据和高速d s p 之间的数据传输瓶颈效应，d s p + 口l d + f i f o 的结构是实现高速多通道信号采集的理想方案。 图3 2 数据采集部分细化的系统结构图 3 2 3 绘制原理图和p c b 系统使用p r o t d 9 9 s e 绘制原理图和p c b