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基于DSP和以太網的數據采集處理系統
摘要：介紹了一種基于DSP和以太網的數據采集處理系統。論述了數據采集處理系統中的以太網應用，介紹了系統的硬件設計方案，提出了基于實時操作系統DSP/BIOS進行軟件設計的思路和實現方法。關鍵詞：DSP 以太網 數據采集 實時
隨著測試技術的不斷發展，低功耗、高性能的DSP逐漸取代了通用單片機在數據采集處理系統中的地位；同時，以太網技術也在數據采集、測試測量技術中發揮越來越大的作用。本文從軟件、硬件出發，介紹一種基于DSP和以太網的數據采集處理系統的設計思想及實現。
1 基于以太網的數據采集處理系統
生產和科研領域對測試的要求越來越高，所需測試和處理的數據量也越來越巨大，有時需要多個測試儀器同時進行測試，各測試儀器之間又需要進行數據交換；而且測試領域也越來越廣泛，有些現場不適合工作人員親臨，這時就需要通過網絡進行控制。以太網技術在數據采集處理系統中的應用如圖1所示。
與工業現場應用比較多的現場總線比較，以太網最大的特點是開發性好、成本低。通過把復雜的TCP/IP協議封裝而提供各種網絡測試技術，使網絡測試的開發變得不再復雜。同時，由于網絡測試帶來巨大效益，使網絡測試在測試自動化領域得到廣泛應用。以太網作為分布式測試的一個網絡方案，其潛力無疑是巨大的。
圖1 數據采集處理系統中的以太網應用
以太網接口控制器和DSP微處理器的價格不斷下降，使得將以太網直接集成到基于DSP等嵌入式系統的測試、采集、工業I/O設備中成為越來越明顯的趨勢。基于以太網的I/O設備是將以太網接口直接嵌入到設備內部，所以使得設備更簡潔，體積更小，安裝也更靈活。和一些目前應用于工業的其它通信方案比較，以太網方式通常需要功能更強大的微處理器和更大的內存。而網絡和計算機技術的發展，特別是DSP技術的應用，可以大大降低這方面的成本。
2 數據采集處理系統的硬件設計
該系統以TI公司的TMS320C6000系列DSP中的TMS320C6211和10/100M自適應以太網控制芯片MX98728EC為核心，主要包括ADC數據采集、DSP數據處理和以太網接口三個部分。圖2為數據采集處理系統框圖。
2.1 TMS320C6000 DSP
TMS320C6000是美國TI公司于1997年推出的新一代高性能DSP芯片。這種芯片是定點、浮點兼容的DSP。其定點系列是TMS32C62XX，浮點系列是TMS320C67XX。TMS320C6000片內有8個并行的處理單元，分為相同的兩組，芯片的最高時鐘頻率可以達到300MHz。當芯片仙部8個處理單元同時運行時，其最大處理能力可以達到2400MIPs。本數據采集處理系統采用TMS320C6211，其主要特別如下：
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·每個周期8條32位指令
·8個高度獨立的功能單元，包括6個32/40位的運算器和2個16位的乘法器（32bit結果）
·32個32位通用寄存器
圖2 數據采集處理系統框圖
·靈活自由的數據/程序定位，L1/L2存儲器結果：4K字節L1P程序Cache、4K字節的L1D數據Cache、64K字節L2通用RAM/Cache
·32位外部存儲器接口（EMIF）：對異步存儲器的無縫接口，如SRAM、EPROM；對同步存儲器的無縫接口，如SDRAM、SBSRAM；共512M字節外部存儲器可尋址空間
·增強的DMA（EDMA控制）：16個獨立通道
·兩個32位通用定時器
·支持JTAG邊界掃描標準，調試時可以方便可靠地控制DSP上面的所有資源
2.2 以太網控制器MX98728EC
MX98728EC是一個通用的單片10/100M快速以太網控制器，通過它的主機總線接口，可以實現各種各樣的應用，而不需要或者只需極少的外部控制邏輯。單片機的解決方案可以減小電路板的尺寸，減少板上芯片的數量，以降低系統的成本。MX98728EC的特點如下：
·32位通用異步總線結構，支持頻率最高達33MHz
·單片解決方案，集成了10/100M TP收發器
·可選的外部收發器MII接口
·完全兼容IEEE 802.3u協議
·支持16/8bit打包緩沖數據寬度和32/16bit主機總線數據寬度
·分離的TX和RX FIFO，支持全雙工模式，獨立的TX和RX通道
·豐富的片上寄存器，支持各種各樣的網絡管理功能
·支持16/8bit的用于打包緩沖器的SRAM接口、支持片上FIFO的突發DMA模式
·自動設置網絡速度和協議的NWAY功能
·可選的EEPROM設置，支持1kbit和4kbit的EEPROM接口
·支持軟件EEPROM接口，方便升級EEPROM的內容
圖3 DSP和以太網接口部分硬件設計
2.3 系統結構
2.3.1 ADC數據采集部分
CPLD1由DSP提供時鐘信號，主要作用是提供掃描表SRAM的地址，掃描表SRAM的數據由DSP寫入。掃描表輸出的數據用來設定A/D轉換的通道和儀表放大器的增益。ADC采用14位的LTC1416。32路模擬信號通過多路復用器后，其中一路信號被選中，進入儀表放大器，放大之后進入ADC。ADC的轉換時鐘由DSP的定時器提供。
2.3.2 DSP數據處理部分
ADC轉換后的14位數據通過FIFO進入DSP進行處理，FIFO采用4片CY7C425形成乒乓結構，以實現模擬信號的不間斷采樣。DSP擴展一片Flash Memory作為DSP的程序存儲器，另外還擴展了一片SRAM作為程序緩存。脫機運行時，DSP將Flash中的程序寫入SRAM，再寫入DSP內部RAM。CPLD2主要用于控制FIFO的讀寫，并且提供以太網接口部分的控制信號。DSP系統中的數字信號處理算法主要實現濾波、采樣率變換、非線性修正、溫漂修正等。
2.3.3 以太網接口部分
以太網主控芯片MX98728EC通過RJ45接口連接以太網，擴展一片SRAM作為以太網數據收發存儲器，另外又擴展一片EEPROM以存儲以太網卡的MAC地址、IO基地址、中斷線選擇等配置寄存器的初始化數據。CPLD3通過DSP高位地址線的譯碼控制以太網芯片的片選并提供以太網接口部分的復位信號等。DSP和以太網的接口部分硬件如圖3所示。
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3 數據采集處理系統的軟件設計
軟件編程時應該充分利用硬件資源及開發工具，使代碼達到所期望的性能，并且在DSP嵌入式系統的基礎上集成已經封裝的TCP/IP協議棧，增加網絡連接代碼。由于DSP系統硬件以及以太網協議的復雜性，本系統中的軟件編程是一個難點。
在本系統的軟件設計過程中，采用了TI公司的基于C6000系列DSP的實時操作系統DSP/BIOS以及DSP/BIOS提供的實時數據交換功能RTDX（Real-Time-Data-eXchange）。DSP/BIOS針對DSP的應用環境，通過一系列的對象模塊向開發者提供了一個實用優秀的實時操作系統。它可以壽命用戶提高軟件的模塊化程度、并行性和可維護性等，有利于降低系統成本和縮短開發周期，運行于該操作系統之上的應用程序在開發時間、軟件維護、升級等方面都有了極大的提高。實時數據交換功能是DSP/BIOS提供的一個全新的功能。在很多應用中要求DSP不停下來，而需要從主機中實時地讀取數據或者向主機實時地輸出數據。
因為本系統的軟件結構較為復雜，涉及的算法較多，故應采用模塊化、由頂向下、逐步細化的結構化程序設計方法。這一方法可節省軟件工作量、提高工作效率。圖4為簡化的數據采集處理程序流程圖。
實踐證明，根據以上方案設計基于DSP和以太網的數據采集處理系統，可以很好地實現對模擬信號的采集和處理。在此基礎上，也可以將其作為其于DSP和以太網的網絡測試平臺開發過程中的調試工具，從而加速把以太網集成到測試、采集和工業I/O儀器中的開發進程。
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