基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張達(dá)億，張楠

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710065）

0 引言

DSP芯片因其運(yùn)算能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、功耗低、外設(shè)豐富等眾多特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能儀器儀表、工業(yè)控制、軍事、消費(fèi)電子等領(lǐng)域[1]。本文設(shè)計(jì)的基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，以浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320F28335為核心控制器，通過(guò)其外部存儲(chǔ)器接口XINTF擴(kuò)展高速大容量SRAM，采用DMA傳送方式，將ADC采集轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)傳遞給SRAM。本系統(tǒng)選用浮點(diǎn)型DSP，以提高應(yīng)用FFT，F(xiàn)IR，IIR等工控算法時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算的速度與精度；外擴(kuò)SRAM，以解決某些大數(shù)據(jù)量處理場(chǎng)合DSP內(nèi)部存儲(chǔ)空間不足的問(wèn)題；通過(guò)DMA方式傳送ADC采集轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，以解決CPU采用中斷響應(yīng)和查詢方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，資源消耗大、傳送效率低等問(wèn)題[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，采用TMSF28335為核心控制器，所需采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后，再進(jìn)入DSP片上的ADC模塊，每采集完一個(gè)序列，觸發(fā)DMA模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送到外擴(kuò)存儲(chǔ)器SRAM中。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 TMS320 F28335簡(jiǎn)介

TMS320F28335芯片采用哈佛總線結(jié)構(gòu)模式，擁有獨(dú)立的程序空間和數(shù)據(jù)空間，可并行訪問(wèn)這兩個(gè)空間。采用低功耗設(shè)計(jì)，I/O電壓為3.3V，內(nèi)核電壓為1.8V。其主頻最高可達(dá)到150MHz，片內(nèi)集成32位單精度FPU（浮點(diǎn)運(yùn)算單元，F(xiàn)loat Point Unit），可在硬件上實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)的快速運(yùn)算。并具備SPI（串行外設(shè)接口，Serial Peripheral Interface），SCI（串行通信接口，Seri?al Communication Interface），CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)，Controller Area Network）等通信接口，可與其他電子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。片內(nèi)集成16通道12位分辨率的ADC，采樣頻率最高可達(dá) 12.5msps（百萬(wàn)次/秒）；6個(gè)DMA通道，均基于事件觸發(fā)，每個(gè)通道擁有獨(dú)立的觸發(fā)源。通過(guò)DSP的外部存儲(chǔ)器接口XINTF可以實(shí)現(xiàn)SRAM，F(xiàn)lash，ADC等模塊的擴(kuò)展[3]。

1.2 DMA模塊特點(diǎn)

TMS320F28335內(nèi)部的6個(gè)DMA通道，均可通過(guò)ADC模塊的排序器中斷，CPU定時(shí)器溢出中斷，外部中斷等事件觸發(fā)，可在DSP內(nèi)部的L4～L7 SARAM，所有XINTF外擴(kuò)空間，ADC結(jié)果寄存器等存儲(chǔ)區(qū)域之間傳送數(shù)據(jù)，并支持16位或32位字長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

DMA模塊工作有三種工作方式：

（1）BURST傳送：一次數(shù)據(jù)傳送的最小單位，事件觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，該傳送方式啟動(dòng)。

（2）TRANSFER傳送：定義了一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中包含BURST傳送的次數(shù)即定義了傳送數(shù)據(jù)總量，當(dāng)傳送完成執(zhí)行DMA中斷。

（3）WRAP傳送：可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)傳送，當(dāng)BURST傳送次數(shù)與設(shè)定值相等，發(fā)生地址返回。

DSP與SRAM硬件接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的SRAM芯片為IS61LV256AL，該芯片由3.3V單電源供電，其讀寫速度快，時(shí)序操作簡(jiǎn)單，容量大小為256K×16位，可滿足大容量數(shù)據(jù)的快速存取。TMS320F28335擁有三個(gè)XINTF存儲(chǔ)區(qū)域ZONE0，ZONE6，ZONE7，每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)片選信號(hào)線，當(dāng)對(duì)某個(gè)區(qū)域進(jìn)行讀/寫操作時(shí)片選信號(hào)拉低。并且這三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域均與片上DMA模塊連接，支持DMA讀寫方式[4]。本設(shè)計(jì)選用ZONE7擴(kuò)展SRAM，ZONE7地址范圍為0x200000～0x300000，空間大小為1M×16位，可滿足SRAM的擴(kuò)展。硬件連接圖如圖2所示。其中DSP的ZONE7的片選線（XZCS7），讀選通線（XRD），寫選通線（XWE0）分別與SRAM的片選線（CE），輸出使能線（OE），寫使能線（WE）連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)讀/寫操作的控制；DSP低19位地址總線XA0～XA18與SRAM的地址線A0～A18連接，實(shí)現(xiàn)地址的傳送；DSP低是16位數(shù)據(jù)總線 XD0～XD15與SRAM的 I/O0～I(xiàn)/O15連接[4]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)DSP的ePWM模塊觸發(fā)ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后ADC產(chǎn)生的排序器中斷事件觸發(fā)DMA模塊，完成采集數(shù)據(jù)的傳送[5]。下面對(duì)ADC模塊軟件設(shè)計(jì)和DMA模塊軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1 ADC模塊軟件設(shè)計(jì)

首先復(fù)位ADC模塊，設(shè)置工作方式為雙序列模式，采用順序采樣，并設(shè)置ADC模塊的時(shí)鐘頻率。然后定義最大采樣通道數(shù)，通道采樣順序，并清除中斷標(biāo)志位。接著設(shè)置中斷模式為每完成一個(gè)序列轉(zhuǎn)換產(chǎn)生SEQ1中斷，并使能SEQ1中斷，清除中斷標(biāo)志位。最后使能EPWM_SOCA觸發(fā)ADC模塊。

圖2 DSP與SRAM硬件連接圖

部分程序如下：

2.2 DMA模塊軟件設(shè)計(jì)

TMS320F28335的ADC結(jié)果寄存器是雙重映射的，但只有映射在外設(shè)幀0的ADC結(jié)果寄存器支持DMA直接訪問(wèn)，且本系統(tǒng)將SRAM映射到DSP的ZONE7空間0x200000～0x23FFFF。因此DMA通道初始化時(shí)將源地址設(shè)置為映射在外設(shè)幀0的ADC結(jié)果寄存器地址（0x0B00～0x0B0F），目的地址設(shè)置為DSP外擴(kuò) SRAM 的地址(0x200000～0x23FFFF)[6]；DMA 觸發(fā)方式設(shè)置為SEQ1中斷單次觸發(fā)，即每次中斷觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)一次BURST傳送；每次BURST傳送8個(gè)16位的字，并設(shè)置傳送方式為多幀模式；每傳送一個(gè)字后，源地址和目的地址指針加1；每完成一次BURST傳送，源地址指針回繞到初始地址，目的地址指針加1；傳送完成后產(chǎn)生DMA中斷。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)采集頻率為2KHz，幅值為0.5～2V的正弦波信號(hào)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將存儲(chǔ)到SDRAM的數(shù)據(jù)通過(guò)集成開發(fā)環(huán)境CCS的圖像觀察工具Graph觀察數(shù)據(jù)波形如圖3所示。由于電路中噪聲的影響導(dǎo)致采樣波形中存在毛刺，后期可采用濾波算法對(duì)其進(jìn)行處理。

圖3 采樣波形圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，有效利用了DSP的硬件資源，通過(guò)片上集成的ADC、DMA和XINTF等模塊完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)工作，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率，并簡(jiǎn)化了軟件程序設(shè)計(jì)和硬件電路設(shè)計(jì)難度。本系統(tǒng)可應(yīng)用在高速大數(shù)據(jù)量場(chǎng)合，如高頻震動(dòng)測(cè)試、波形記錄、圖像采集等，并可集成工控算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]何園濤,李瑞君,馮建,等.基于DSP芯片的高精度恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2017,(1):70-73.

[2]何瓊,陳鐵,程鑫.DMA在高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(3):49-52.

[3]符曉,朱洪順.TMS320F2833x DSP應(yīng)用開發(fā)與實(shí)踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2013.

[4]張文磊,趙洪亮.基于TMS320F28335的高速數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(17):77-79.

[5]張偉,王孝紅,申濤.基于DSP的McBSP與DMA結(jié)合的音頻數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化,2010(1):60-62.

[6]廖傳書,管璞.基于DSP的DMA嵌入式圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2006,28(7):125-128.