基于DSP技術與USB2.0的數據采集實時處理系統

雷 云 王靈莉 王旭柱

(1.中國海洋大學信息科學與工程學院通信與信息系統，山東 青島 266100 2.中國海洋大學信息科學與工程學院電子系，山東 青島 266100)

1 引言

在海洋環境監測領域中，采集的通常是水下的光信號，光信號通過光纖傳輸經過傳感器轉換成模擬電信號，對該信號的采集與處理主要由AD轉換器和DSP芯片組成的系統完成,AD轉換器的最高工作頻率決定了信號采集的速率,而整個系統的處理能力則由DSP芯片決定。作者根據項目需要設計了一種通用性的設備，雙通道、最大采樣速率為5M的數據采集與實時處理系統。該系統具有較強信號處理能力和較大數據吞吐量，主要應用于基于激發熒光和激光多普勒技術的浮游植物粒徑分布現場在線監測系統中的數據采集與處理部分。

2 系統硬件設計

本系統可以完成對熒光信號和多普勒信號采集和實時處理并將處理后的頻譜數據通過USB接口傳輸到PC機并顯示出來。系統主要分為數據采集部分，數據處理部分，邏輯時序控制部分，主機通信部分，以及電源管理。

選用TI公司的浮點高速C6000系列中的TMS320C6713B作為核心處理芯片，模擬電信號經THS4503后轉變為差分信號，輸入ADS1605后將模擬信號轉換為16位的數字信號。通過DSP的地址譯碼分時選通AD1和AD2實現雙通道的由AD到DSP的EMIF總線的數據傳輸:，相應的信號處理算法在DSP中實現。在CPLD控制下數據由DSP的HPI接口通過USB接口芯片傳入PC，系統結構如圖1：

圖一

2.1 DSP以及外圍芯片電路設計

TMS320C6713 DSP是美國TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，它是32位高速浮點型DSP，時鐘最高頻率為300MHz，，其EMIF總線寬度為16位，接口電壓為3.3V，

其EMIF提供了4個外設空間[2]，在本設計中兩個通道的AD1和AD2分別占用CE0空間中的兩個地址，通過DSP中的主程序讀取這兩個地址中的值來讀取相應通道中的ADC數據總線上的16為數據。在實時采集時，通過CPLD來實現DSP地址譯碼。通過EMIF的地址總線EA2，EA3和CE0，進行譯碼。當AD1的片選信號CE和RD信號同時為低電平時，AD1的數據線上將由高阻變成有效的數據，而此時AD2的片選CE為高電平所以 AD2的數據線為高阻狀態，所以在同一時間EMIF總線上不會出現總線競爭情況。

2.2 USB2.0接口設計

系統的數據傳輸通過USB接口芯片,所以本方案采用 CY7C68013的“GPIF主控”接口模式與TMS320C6713B芯片 HPI接口連接，該芯片的最主要特點是可通過 USB2.0的通用可編程接口 (GPIF)為特定的應用接口編程,以便使用多種協議完成與外圍器件的無縫連接“GPIF主控”接口模式 ,使用PORTB和PORTD雙向 FIFO數據線來構成通向四個端點 FIFO(EP2、EP4、EP6、EP8)的 16 位數據接口 ,以用來連接數據線 DD[15:0]并進行數據的傳送;GPIF作為內部主控器與 FIFO相連 ,并通過產生用戶可編程的控制信號CTL[2:0]與外部接口進行通信。同時 ,GPIF還可以通過 RDY[1:0]引腳采樣外部信號并等待外部事件。

3 系統程序設計

3.1 DSP程序設計

該系統DSP的程序由C語言程序和匯編程序組成，完成雙通道數據采集與實時處理。通道1采集熒光信號，通道2采集多普勒信號。當系統啟動后兩個通道都開始進行2K的數據循環采樣，同時通道1中的數據進行32個數據累加檢測，當32個數據的和大于設置的觸發門限時，兩個通道都開始進行6K的數據采樣，由于保存了觸發前的兩個通道的2K數據，所以兩個通道中的數據均為8K，然后對通道1的8K數據求最大值和最小值，計算出中間值，通過對一通道中的數據進行搜索，與中間值進行比較得到其下標地址，從而得出脈沖的兩個中間值之間的寬度。在通道2中對采集的8K數據進行快速傅里葉變換得到頻譜，最后將以上數據傳到上位機顯示。

3.2 Usb接口芯片固件程序

固件是在USB接口芯片加電后，由其他設備加載到CY7C68013芯片中并在其中運行完成接口數據傳送功能的一段程序.在該系統中，CY7C68013芯片的固件程序控制整個硬件系統的運行，包括初始化工作;硬件設備的重新列舉，處理PC主機發來的各種USB請求和數據傳輸。該固件是根據Cypress公司提供的固件編程框架來完成的，所使用的編程語言則是Keil公司的C51編譯器。

固件程序的核心內容為Fw.c（框架源代碼Fw.c中主要包括任務分配器(TD)函數和設備請求(DR)函數）、Ti6713HPI.c（ 用戶自定義函數）以及Gpif.C（波形時序控制），由GPIF_Designer生成，用以匹配 HPIC、HPIA、HPID 時序，將GPIF_Designer的4組波形分別定義為：第一半字寫、第二半字寫、FIFO寫和FIFO讀，其中前兩組波形配合任務分配器函數TD_Poll()完成DSP中寄存器HPIC和HPIA的寫，后兩組波形配合TD_Poll()完成自增模式下HPID的讀寫，波形的設計要嚴格遵守HPI總線訪問時序。

結束語

本文主要介紹了基于TMS320C6713B的數據采集與實時處理系統，創新點在于該系統可以高速高效的在雙通道之間進行切換，實現了主機在線編程，可以根據任務隨時通過PC機更換系統的DSP程序，使系統可以靈活處理各種數據采集處理任務。

[1]王粘旭.DSP基礎與應用系統設計.北京航空航天大學出版社，2001.

[2]Texas Instruments.TMS320C6713B Data Book.RevisedJune，2006.

[3]汪安民，張松燦.TMS320C6000 DSP實用技術與開發案例.人民郵電出版社.

[4]薛園園.USB應用開大技術大全.人民郵電出版社.