基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

陳秀明

青海大學(xué)，青海西寧 810016

對于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)則是作為測量當(dāng)中不可缺少的一部分組成。一般在對硬件供電電壓等方面的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測、采集雷達(dá)信號(hào)等方面，都是需要對連續(xù)變化的高速模擬信號(hào)做同步的數(shù)據(jù)采集以及對外部設(shè)備的數(shù)字量進(jìn)行異步通信。所以，只有滿足對數(shù)據(jù)的高速以及高精度的采集，才能確保數(shù)據(jù)具有一定的有效性以及完整性。

1 DSP的特點(diǎn)

1）如果選用以DSP芯片作為主要處理單元的，則可以從該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案出發(fā)，在滿足信息處理的大量數(shù)據(jù)要求以外，還必須要實(shí)現(xiàn)鍵盤控制以及顯示液晶等方面的主要功能。在應(yīng)用DSP數(shù)據(jù)采集的加工控機(jī)方案，主要是考慮由于實(shí)際系統(tǒng)可能處理的信息會(huì)較多，并且工作量會(huì)較大，把所有的任務(wù)在不影響其速度的情況下都通過DSP進(jìn)行完成，會(huì)存在一定的難度。但是PMU則它的成本會(huì)較低，同時(shí)它的優(yōu)勢就是要對外部的設(shè)備進(jìn)行控制，然而PMU數(shù)字信號(hào)處理的能力卻較差，同DSP可以進(jìn)行互補(bǔ)。在很多任務(wù)當(dāng)中，對于鍵盤控制以及液晶顯示等一些方面簡單的處理環(huán)節(jié)都可以通過工控機(jī)進(jìn)行完成，從而在單片機(jī)的控制方面也利用了其長處，促使DSP的各種算法可以通過數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)也滿足了處理的要求；

2）在對交流電量進(jìn)行同步采集時(shí)，要求全部的測量數(shù)據(jù)必須要對應(yīng)一個(gè)時(shí)標(biāo)，所以，要求系統(tǒng)就應(yīng)具有同步的一個(gè)高精度時(shí)鐘。而出現(xiàn)的GPS全球定位系統(tǒng)卻解決了這個(gè)問題。可以應(yīng)用GPS接收板進(jìn)行發(fā)出信息再與同步的時(shí)間秒脈沖，并且可以在測量系統(tǒng)當(dāng)中建立一個(gè)測量的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，再通過串口時(shí)間建立一個(gè)可以測量系統(tǒng)年份、月份以及具體的時(shí)間，再通過同步的秒脈沖以及計(jì)數(shù)器從而建立一個(gè)可以測量系統(tǒng)的微秒級的時(shí)鐘，并在任意時(shí)刻都可以讀出精度的時(shí)間。同時(shí)在采樣的過程當(dāng)中，也可以獲得采樣點(diǎn)的數(shù)值，并且通過DSP對其采樣點(diǎn)做好時(shí)間標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)具有連續(xù)性的采樣波形；

3）如果要實(shí)現(xiàn)在寬頻域范圍當(dāng)中的實(shí)時(shí)測量、高頻以及信號(hào)的精確度，就必須要求其分辨率與采樣率相對較高，而實(shí)時(shí)信號(hào)的處理流程也應(yīng)具備一定大流量的采樣數(shù)據(jù)和快速的處理運(yùn)算功能。在信號(hào)處理方面，由于DSP的內(nèi)核結(jié)構(gòu)以及在指令系統(tǒng)上都必須要提供一個(gè)速度極快的不同層次、不同類型以及不同定制的處理支持，而在運(yùn)算機(jī)制上以及內(nèi)部資源上都必須要非常豐富。但是，因?yàn)镈SP的運(yùn)算處理會(huì)需要周期的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且在處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，還有數(shù)據(jù)上傳與控制等方面的操作都會(huì)占用一些外部的資源。

2 對于硬件的選用

1）在系統(tǒng)當(dāng)中，DSP所應(yīng)用的是F2812，這是性價(jià)比相對較高的一種芯片，它的運(yùn)行速度較快、存儲(chǔ)的空間較大、集成度高、存儲(chǔ)空間大以及具有高精度的轉(zhuǎn)換特點(diǎn)等；

2）對于工控機(jī)在數(shù)據(jù)處理方面的速率應(yīng)比數(shù)據(jù)采集的速率要高一些，否則就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失等方面的問題；

3）在選擇CPLD時(shí)，對于所選用的編程邏輯器件，其資源量必須要滿足系統(tǒng)的具體要求，這也是作為重要的考慮依據(jù)。而在進(jìn)行實(shí)際的凋試以前卻很難確定DSP芯片的資源以及耗費(fèi)量。所以對于在選型CPLD的器件時(shí)必須要先應(yīng)用軟件做大概的估算，主要是估算其所需要的資源量，并選用一個(gè)具有冗余的器件，以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體要求。此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束以后必須也應(yīng)考慮到可能會(huì)增加一些新功能，或者硬件存在升級要求的可能性等。

3 該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1）由于在輸入模擬信號(hào)時(shí)則可以應(yīng)用通過單端進(jìn)行輸入一差分的輸出方式，也可以應(yīng)用差分輸入一差分的輸出方式。在六個(gè)模擬的輸入通道當(dāng)中則可以分為三對，而對于每個(gè)轉(zhuǎn)換器都會(huì)具有三對的輸入端，并且可以進(jìn)行同時(shí)的轉(zhuǎn)換和采樣，所以就可以對兩個(gè)模擬的輸入信號(hào)保持一個(gè)相對相位的信息。而每對通道也都會(huì)具有單個(gè)的保持信號(hào)，而通過這三個(gè)信號(hào)便可以同時(shí)保持六個(gè)的輸入信號(hào)，其所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)則會(huì)分別的放到這六個(gè)存儲(chǔ)器當(dāng)中；

2）可應(yīng)用CPLD的控制對ROM雙口進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)。應(yīng)先寫低地址段，在完成以后再輸入FLAG2腳，如果是1時(shí)，則可以將LFAG0的輸出相反的方向。而如果FLAG2是作為高電平，便可以在高端地址段當(dāng)中輸入采集數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)查詢繼續(xù)等待時(shí)，則直到為真為止。而此時(shí)，在FPGA在另一端在向硬盤當(dāng)中做完數(shù)據(jù)的處理后，則必須要查詢低端地址段在讀取完以后是否可以進(jìn)行繼續(xù)讀取，而在高位地址段進(jìn)行讀取完之后，所查詢的低位地址是會(huì)不會(huì)由FPGA讀取。這種方法的實(shí)施具有很高的數(shù)據(jù)價(jià)值，并且也很方便。

4 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1）該系統(tǒng)的軟件一般是完成了對于A/D控制轉(zhuǎn)換的過程，并通過DSP進(jìn)行讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果。如果結(jié)束了該系統(tǒng)的初始化工作，便開始對AID的轉(zhuǎn)化部分進(jìn)行運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行新的一次轉(zhuǎn)換時(shí)，其BUSY腳會(huì)變成低電平，同時(shí)在轉(zhuǎn)換期間也會(huì)持續(xù)保持在低電平的狀態(tài)，一般完成轉(zhuǎn)換一次則需要至少大概16個(gè)時(shí)鐘；

2）由于DSP主要是針對數(shù)據(jù)做采集的一個(gè)單元，所以應(yīng)把這個(gè)單元通過A/D可以轉(zhuǎn)化過來，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再對FLAG引腳的初始化方向，再把所采集的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)雙ROM里，并根據(jù)FLAG方向從而對工控機(jī)控制讀取數(shù)據(jù)；

3）由于工控機(jī)是數(shù)據(jù)的一個(gè)處理單元，所以在通過雙口ROM所讀取的數(shù)據(jù)做處理時(shí)，應(yīng)計(jì)算電能質(zhì)量的參數(shù)，這主要包括在電壓的偏差、電壓的有效值、頻率、功率和因數(shù)的幅值、諧波的含有率、不平衡度等方面的計(jì)算參數(shù)。

5 結(jié)論

總之，對于數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)的采集，主要是通過設(shè)計(jì)以高性能的芯片作為基礎(chǔ)，從而構(gòu)成了以高速運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)。此外，也針對DSP內(nèi)置的串行通信接口和芯片所組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對于其中應(yīng)注意的設(shè)計(jì)問題從而進(jìn)一步的加以說明，通過試驗(yàn)表明在其這套系統(tǒng)當(dāng)中，由于數(shù)據(jù)采集的速度較快、精準(zhǔn)度較高，所以可以達(dá)到應(yīng)用的具體要求，也可以廣泛推廣。

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