雙路信號采集存儲裝置

PAGEPAGE13雙路信號采集存儲裝置研制報告組員:張志剛武甜甜王永剛（19組）指導(dǎo)教師:李北明摘要：提出一個基于TMS3205402的信號采集與處理系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體方案和硬軟件設(shè)計。討論了模/數(shù)（A/D）和數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計方法以及如何利用TMS3205402的多通道緩沖接口來實現(xiàn)信號的采集和輸出。實驗證明。所設(shè)計的基于DSP的硬件和軟件系統(tǒng)是一個很好的信號采集與處理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：雙通道緩沖信號TMS3205402采集系統(tǒng)1．設(shè)計任務(wù)1.1設(shè)計任務(wù)制作一臺雙路信號采集存儲裝置，雙路信號實時采集被采集信號頻率成分1KHz~10KHZ被采信號為正弦波和方波雙路信號記錄長度8個周期有信號回放功能顯示被采信號波形打印、上傳等功能自定1.2技術(shù)指標(biāo)雙路信號實時采集頻率成分1~10KHZ，即采集范圍在1~10KHZ信號記錄長度8個周期，信號可回放1.3題目評析雙路數(shù)字信號采集系統(tǒng)要將雙路模擬信號進(jìn)行數(shù)字存儲并由普通示波器將被測信號顯示出來（普通示波器在測試過程中只進(jìn)行波形顯示，不得進(jìn)行操作和調(diào)整）。由于采用的是數(shù)字化的存儲方法，而被測信號屬于模擬信號，所以需要對被測信號進(jìn)行調(diào)理、量化并將其數(shù)字信號（量化的結(jié)果）存入（或稱為寫入）數(shù)據(jù)存儲器；而后再進(jìn)行顯示時從存儲器讀出數(shù)據(jù)并恢復(fù)為模擬信號，作為普通示波器的Ｙ通道輸入，同時還要對通用示波器的Ｘ通道加入合適的掃描信號，才能夠?qū)⒈粶y輸入信號顯示在其熒光屏上。為此，此設(shè)計的雙路數(shù)字信號采集系統(tǒng)應(yīng)該具有Ａ/D、RAM、D/A等主要器件，以便對被測信號進(jìn)行量化、存儲和恢復(fù)。

幅度放大幅度放大A/DA/DRAM核心CPU運(yùn)算顯示圖1題目要求對雙路信號實時采集，被采集信號頻率成分1~10KHZ，被采信號為正弦波和方波，雙路信號記錄長度8個周期，有信號回放功能。所以該系統(tǒng)要求CPU運(yùn)算器的速度要很快，在留有軟件編程余地的考慮下，操作速率要求在100MIPS左右，故對核心CPU的選擇很重要。在上述分析之后，初步擬定雙路數(shù)字信號采集系統(tǒng)的組成框圖，如圖1所示。在此需要說明一點(diǎn)：為了變故分析和討論問題，本設(shè)計中將基本要求和發(fā)揮部分在可能的情況下做適當(dāng)?shù)奶砀?。一、方案比較與論證根據(jù)題目要求,我們初步考慮以下三種方案可供選擇：方案一：采用大規(guī)模集成電路實現(xiàn)（例如復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD）信號源鍵盤信號調(diào)整電路A/D信號源鍵盤信號調(diào)整電路A/DRAMD/AyX輸出信號D/AxY輸出信號MCS-51CPLD顯示器圖2：采用可編程邏輯器件為核心部件的方案原理框圖方案二：僅采用高速SOC單片機(jī)作為核心部件的方案示波器XY信號源A/D轉(zhuǎn)換器同步產(chǎn)生電路高速SOC單片機(jī)（MCU）D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器鍵盤/顯示驅(qū)動電路鍵盤液晶顯示器示波器XY信號源A/D轉(zhuǎn)換器同步產(chǎn)生電路高速SOC單片機(jī)（MCU）D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器鍵盤/顯示驅(qū)動電路鍵盤液晶顯示器穩(wěn)壓電源圖3:僅采用高速SOC單片機(jī)作為核心部件的方案原理框圖方案三：采用數(shù)字信號處理芯片（DSP）作為核心部件的方案示示波器XY信號源A/D轉(zhuǎn)換器同步產(chǎn)生電路數(shù)字信號處理芯片（DSP）D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器鍵盤/顯示驅(qū)動電路鍵盤液晶顯示器穩(wěn)壓電源圖4采用DSP作為核心部件的方案原理框圖如圖4所示，選用DSP作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。DSP的突出優(yōu)點(diǎn)是指令執(zhí)行速度快，完全可以取代單片機(jī)完成信號采集任務(wù)，對于本設(shè)計要求，例如，完成1~10KHz信號采集，從鍵盤輸入選擇采樣頻率，選擇信號調(diào)理電路的增益；將存儲的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并恢復(fù)為模擬信號進(jìn)行顯示，等等，DSP均能完全勝任。雖然DSP的價格偏貴，但隨著DSP的普及，其參考資料和其成熟度幾經(jīng)很高，相對前兩種方案具有較高的可行性。綜合以上：為滿足系統(tǒng)設(shè)計要求和方案實施可行性，對比三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，充分考慮系統(tǒng)的需要，我們決定選取方案三，即采用數(shù)字信號處理芯片（DSP）作為核心部件的方案。第二章系統(tǒng)硬件設(shè)計與軟件實現(xiàn)第一節(jié)系統(tǒng)總方框圖設(shè)計由前述方案論證，對于DSP控制的直接數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)方案我們作如下圖:示示波器XY信號源A/D轉(zhuǎn)換器同步產(chǎn)生電路數(shù)字信號處理芯片（DSP）D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器鍵盤/顯示驅(qū)動電路鍵盤液晶顯示器穩(wěn)壓電源圖二采用DSP作為核心部件的方案原理框圖輸入信號首先經(jīng)緩沖器被送到A/D轉(zhuǎn)換器，ADC在DSP的控制下工作，將采集到的數(shù)據(jù)一方面送到RAM中存儲，另一方面送往DAC輸出至示波器，作為Y軸信號。X軸輸出信號由PDSP內(nèi)部的一個加一計數(shù)器產(chǎn)生，ADC的轉(zhuǎn)換完成中斷信號，加一計數(shù)器的計數(shù)脈沖，ADC每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時將X軸掃描地址加一。DSP內(nèi)部的另一個加一計數(shù)器，產(chǎn)生RAM讀寫的地址，在單片機(jī)的控制下，可以將采集到的數(shù)據(jù)存儲在RAM中的400個存儲單元中，并且可以回顯RAM中任意起點(diǎn)的200個存儲單元中的數(shù)據(jù)。在DSP的控制下提供ADC的啟動信號，置入不同的初值，可改變ADC的采樣率。輸入信號采集的起始點(diǎn)受同步信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生的同步脈沖控制，當(dāng)DSP檢測到由同步信號產(chǎn)生電路送來的同步脈沖時，才使ADC工作，同時屏蔽此同步中斷信號，直到一幀（400點(diǎn)）數(shù)據(jù)采集完畢才再次開放此同步中斷，為下一次采集與顯示做準(zhǔn)備，采用此技術(shù)，可以讓信號穩(wěn)定的顯示在示波器上。另一方面，DSP通過控制中斷的初值來控制著系統(tǒng)的采樣率，從而選擇適應(yīng)的頻率輸入信號，使信號在示波器以合適周期范圍顯示；第三方面，DSP控制計數(shù)器不同的起始地址，決定存儲數(shù)據(jù)的顯示，從而實現(xiàn)顯示信號的水平擴(kuò)展；第四方面，DSP通過控制程控基準(zhǔn)源，改變ADC的參考電壓，來決定系統(tǒng)的垂直靈敏度；從鍵盤輸入的控制命令和在LCD顯示的系統(tǒng)狀態(tài)信息，也是由單片機(jī)來控制的?？梢?，在此系統(tǒng)中，DSP起著中心控制器的作用，用以協(xié)調(diào)各功能電路的工作.第二節(jié)各功能電路的硬件設(shè)計一緩沖器電路設(shè)計圖五緩沖器主要用于提升本系統(tǒng)的輸入阻抗，我們選用運(yùn)算放大的同相輸入電壓跟隨電路（如圖五示），采用此技術(shù)可以將輸入阻抗提升到1000MΩ以上，在運(yùn)放的選型上考慮到信號帶寬的要求，我們選用寬帶低噪放大器LF353。二同步信號產(chǎn)生電路設(shè)計圖六同步信號產(chǎn)生電路主要用于產(chǎn)生同步脈沖，我們選用運(yùn)算放大器構(gòu)成的電平比較器來實現(xiàn)（如圖六示），為了適應(yīng)不同信號幅度，我們將此比較器的比較基準(zhǔn)電壓設(shè)為可調(diào)，并將調(diào)節(jié)電位器至于儀器面板上，調(diào)節(jié)此電位器即可使信號穩(wěn)定的顯示在示波器上。為了和單片機(jī)接口我們還在這一級的后面增加了電平變換級。圖六ADC電路設(shè)計圖七ADC電路用于完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，對于本系統(tǒng)要求，我們選用了最高采樣頻率為MHz的ADC芯片AD9280.芯片資料外圍電路如圖七示。四、手控基準(zhǔn)源設(shè)計手控基準(zhǔn)源主要是為AD提供可變的參考電壓，以適應(yīng)不同幅度的輸入信號，改變系統(tǒng)的垂直靈敏度，應(yīng)用此技術(shù)可以降低系統(tǒng)對前端電路的要求（如帶寬、增益）。精密單運(yùn)放構(gòu)成，電路詳見圖八。圖八 DAC電路設(shè)計DAC電路主要用于數(shù)模轉(zhuǎn)換，對于本設(shè)計要求，我們選用了轉(zhuǎn)換速率為100MHz的DAC芯片AD9762。基本的時鐘信號可以來自CPU時鐘，也可以來自晶振時鐘，這在SRGR2寄存器中的第13位設(shè)置?；緯r鐘輸入后，經(jīng)CLKGDV（SRGR1的第7位到第0位）所設(shè)置的值進(jìn)行第一次分頻，得到位時鐘信號（由BCLKX1腳輸出）。值得注意的是，位時鐘信號最高為DSP頻率的一半。位時鐘信號經(jīng)FPER（SRGR2的第11位到第0位）和FWID（SRGR1的第15位到第8位）所設(shè)置的值進(jìn)一步分頻得到采樣時鐘信號（由BFSX1腳輸出），F(xiàn)PER和FWID分別設(shè)置采樣時鐘信號的低電平和高電平的時間值。圖九,圖十外設(shè).時鐘如圖十一.圖九圖十圖十一六、DSP電路設(shè)計作為DSP高性價比代表的16位定點(diǎn)DSP芯片，'C5402適用于信號采集等實時嵌入應(yīng)用場合。與其它'C54X芯片一樣，'C5402具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力。其性能特點(diǎn)如下：操作速率可達(dá)100MIPS；具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，三條16位數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線；40位算術(shù)邏輯單元（ALU），包括一個40位桶形移位器和兩個40位累加器；一個17×17乘法器和一個40位專用加法器，允許16位帶/不帶符號的乘法；整合維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度；單周期正規(guī)化及指數(shù)譯碼；8個輔助寄存器及一個軟件棧，允許使用業(yè)界最先進(jìn)的定點(diǎn)DSPC語言編譯器；數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g為1M×16bit，內(nèi)置4K×16bitROM和16K×16bitRAM；內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（PLL）時鐘產(chǎn)生器、兩個多通道緩沖串口、一個與外部處理器通信的8位并行HPI口、兩個16位定時器以及6通道DMA控制器且低功耗。與'C54X系列的其它芯片相比，'5402具有高性能、低功耗和低價格等特點(diǎn)。它采用6級流水線，且當(dāng)RPT（重復(fù)指令）時，一些多周期的指令就變成了單周期的指令；芯片內(nèi)部RAM和ROM可根據(jù)PMST寄存器中的OVLY和DROM位靈活設(shè)置。這些都有利于算法的優(yōu)化。'5402采用3.3V和1.8V電源供電，其中I/O采用3.3V電源供電，芯片的核采用1.8V電源供電。而實際常用的只有5V電源，所以必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片。選用TPS7301和TPS7333兩塊電源轉(zhuǎn)換芯片（它們都是TI公司為配合DSP而設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換芯片），分別接上適當(dāng)?shù)耐鈬娮?，?gòu)成電阻分壓器，即可調(diào)整兩塊芯片的輸出電壓分別為3.3V和1.8V。

八、穩(wěn)壓電源設(shè)計為了減小電壓紋波和降低成本，同時考慮到本系統(tǒng)對電源效率要求不高，我們采用集成三端穩(wěn)壓電源形式。電路詳見圖十二。圖十二第三節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計DSP軟件設(shè)計軟件部分主要包括DSP編程。DSP程序的主要任務(wù)是初始化、管理板上的資源和完成信號的處理算法，可參考有關(guān)資料。PC編程重點(diǎn)則是管理DSP操作和應(yīng)用層軟件編寫。3.1A/D與D/A程序設(shè)計為了在1kHz-10kHz的頻段獲得優(yōu)良的信號輸出，A/D和D/A的采樣頻率應(yīng)該達(dá)到48kHz。要正確編寫采樣和輸出信號的程序，必須對'5402的McBSP相關(guān)寄存器（spcr1,spcr2,rcr1,rcr2,xcr1,xcr2,srgr1,srgr2,mcr1,mcr2,rcera1,rcerb1,xcera,xcerb,pcr1）進(jìn)行正確的設(shè)置[1]，以滿足'C5402和AD9280,AD9762的各種時序要求（位同步、幀同步、時鐘信號等）。為了使TOUT能給外圍器件提供時鐘信號，就設(shè)計到DSP的定時和中斷操作，同步中斷入口之選擇AD采集,然后儲存,在輸出。3.2DSP和鍵盤、液晶顯示器的編程DSP程序首先初始化'C5402和LCD。在分配好相應(yīng)的緩沖區(qū)和產(chǎn)生相應(yīng)的中斷之后，進(jìn)行信號處理算法，掃描鍵盤,然后送出顯示,返回掃描,在送出不斷的循環(huán).首先建立起DSP的中斷系統(tǒng)，使能信號、采樣率數(shù)據(jù)和回顯存儲數(shù)據(jù)時加一計數(shù)器所需的計數(shù)脈沖。Dsp承擔(dān)接收同步中斷、查詢鍵盤、通過液晶顯示屏顯示系統(tǒng)狀態(tài)的任務(wù)。DSP主要通過兩個外部中斷控制數(shù)據(jù)采集，所以中斷的處理是關(guān)鍵。在DSP主程序中，只有掃描鍵盤和送出顯示兩個模塊，兩個外部中斷用來指示采集一幀數(shù)據(jù)的起止點(diǎn)。當(dāng)DSP接收到同步中斷信號（幀起始信號），啟動ADC,內(nèi)部的分頻器，開始一幀數(shù)據(jù)采集；當(dāng)DSP接收到溢出中斷信號（幀終止信號）,便將加一計數(shù)器復(fù)位，等待下一幀同步中斷的到來，開始下一次采集。從整個程序來看，兩個中斷處理程序是互索的，并且互為條件，不會發(fā)生沖突。這時DSP處于連續(xù)觸發(fā)方式下工作，當(dāng)按下存儲按鍵，單片機(jī)在當(dāng)前幀數(shù)據(jù)采集完畢時，使ADC停止工作，由DSP加一計數(shù)器的脈沖，循環(huán)回顯RAM中的數(shù)據(jù)（RAM始終處于工作狀態(tài)，將每一幀數(shù)據(jù)都保存起來，但后一幀覆蓋了前一幀）。當(dāng)DSP工作在單次觸發(fā)方式下時，同步中斷被立刻打開，在滿足觸發(fā)條件時，進(jìn)行一幀數(shù)據(jù)的采集，并循環(huán)回顯此幀數(shù)據(jù)。程序流程見圖十三。單片機(jī)初始化單片機(jī)初始化LCD初始化開同步中斷掃描鍵盤送出顯示開始圖十三第三章系統(tǒng)組裝與調(diào)試第一節(jié)系統(tǒng)組裝整的電子儀器除了需要好的電路和軟件設(shè)問題我們也做了相應(yīng)的考慮。整個系統(tǒng)按功能分別做于二塊電路板上——電源板和采集板。儀器前面板見圖十四。電源電源X輸出Y輸出變壓器整流濾波板數(shù)據(jù)采集板控制板圖十四機(jī)箱布置圖附錄一：源程序DSP部分源程序;************************;雙路信號采集系統(tǒng);***********************AD.cFilename:ADCINT.C#include“l(fā)h092.h”#include“f5402regs.h”#defineADF1MASK0x18voidmain(void){intI;unsignedinttemp;InitCPU();disabie();watchdog_reset();IFR=0xffff;IMR=0X20;ADCTRL1=0XAE00;ADCTRL2=0X005;enable();while(1){for(I=0x800;I<0xfff;i++)DAX=i}voidinterruptINT6_ISR(){unsignedi