遠程高速數據采集及處理系統的設計

摘要：介紹一種以TMS320VC5402 DSP為核心處理器的高速遠程數據采集與處理系統。該系統以分時采集方式對多路模擬信號進行數據采集，采樣率達40MHz。經過高速處理器的實時處理，通過光纜將數據傳送到主控計算機端，作進一步處理與分析。該系統可以廣泛應用于需要較高頻率遠程模擬信號的采集處理場合。 關鍵詞：遠程數據采集 DSP 光纖通信 信號處理 隨著數字信號處理技術及通信技術的發展，ＤＳＰ技術應用越來越廣泛。將ＤＳＰ技術應用于高速數據采集，可以對采集數據進行實時處理，同時將高速光纜通信技術應用于遠程數據采集的數據傳遞，能夠使采集的大量信號高速可靠地傳遞至主控計算機作進一步的分析處理。本文介紹了一種使用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２作為處理器，用高速Ａ／Ｄ轉換芯片進行數據采集與處理，使用光纜進行數據通信的高速遠程數據采集板。將此采集板應用于油田超聲波測井系統，為探測油井下內壁、壁厚以及油井外固井水泥環的情況提供充分的數據基礎。 作為一個使用ＤＳＰ芯片作為處理器的遠程數據采集系統，不但要完成數據的采集工作，而且還要能夠對數據進行實時處理，然后將數據傳遞至遠處控制端。同時，數據采集部分還要能夠接收遠端控制端發出的命令，及時對數據采集進行總體上的控制。 此遠程數據采集系統需要完成的基本功能是：接收地面主控計算機發出的控制命令，自動完成多路超聲波電信號的采集工作：將信號放大，濾波處理后數字化，經過短暫存儲及初步處理，將數字化的超聲波信號分組，傳遞至地面主控計算機，供分析軟件進行數據分析。
　?。?系統硬件的設計
　　整個系統由數據采集和計算機控制卡兩部分組成。數據采集部分完成超聲波信號的放大、濾波、模數轉換以及處理和傳輸控制；計算機控制卡接收由數據采集卡經過光纜傳遞的數據信號，送至計算機ＰＣＩ總線，由處理軟件進行數據處理。ＰＣＩ控制卡經過控制軟件向數據采集卡發送數據采集命令，使數據采集卡根據命令改變工作狀態。
　?。保?數據采集卡的硬件設計 圖１為數據采集卡部分的電路原理圖。由于數據采集板工作在惡劣的環境中，要求硬件電路保證完成盡可能多工作的同時，使用盡可能少的器件，以保證采集板能夠長時間地穩定工作。 數據采集板的核心處理器是ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２。該芯片是ＴＩ公司ＴＭＳ３２０ＶＣ５４ｘ系列的ＤＳＰ芯片，是為實現低功耗、高性能而專門設計的定點ＤＳＰ芯片，主要應用在通信、數據采集等系統中。該芯片采用ＣＭＯＳ制造工藝，屬于第七代ＤＳＰ產品，它的工作頻率可以根據需要進行調整。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２芯片內部不帶ＦＬＡＳＨ程序存儲器，因此，在采集板上要讓ＦＬＡＳＨ存儲器保存程序。使用的芯片是ＳＳＴ３９ＶＦ４００Ａ。此芯片是Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ生產的２５６Ｋ字節的１６位ＦＬＡＳＨ存儲器。在電路啟動時，由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２內部ＲＯＭ中的引導程序將存儲在ＦＬＡＳＨ中的工作程序轉移到ＳＲＡＭ中，提高程序運行效率，降低對外部ＲＯＭ的速度要求。這樣，不僅可以提高系統硬件的成本，而且可以提高系統的整體抗干擾性。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ ＤＳＰ芯片內帶１６Ｋ字節的ＲＡＭ，其中一部分用來運行程序，另外一部分可以用來存儲臨時數據，片內的ＲＡＭ存儲器不能滿足數據存儲容量的要求，因此在采集板上還要擴充一部分ＳＲＡＭ。此采集卡上使用的ＳＲＡＭ芯片為ＣＹ７Ｃ１０２１。此芯片是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生產的１６位６４Ｋ字節的靜態ＲＡＭ存儲器，采用ＣＭＯＳ工藝，具有自動低功耗模式的功能，降低系統功耗，保證低散熱量。 Ａ／Ｄ轉換電路使用ＴＬＣ５５４０模數轉換芯片，這是ＴＩ公司的８位Ａ／Ｄ轉換器，它的最高轉換速率可以達到每秒４０兆字節。ＴＬＣ５５４０采用了一種改進的半閃結構，使用ＣＭＯＳ工藝，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時，能夠保持低功耗，在推薦的工作條件下，其功耗僅為７５ｍＷ。使用ＴＬＣ５５４０進行數據采集的控制信號由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２產生，采樣時鐘經過５４０２的ＣＬＫＯＵＴ端口分頻得到。當采集卡進行數據采集時，首先ＤＳＰ芯片選通要采集的模擬信號通路，將經過處理的模擬信號送至ＴＬＣ５５４０的模擬輸入端口，然后ＤＳＰ芯片通過地址使能轉換芯片ＴＬＣ５５４０，控制轉換芯片進行模數轉換，將模擬信號轉換為數據量，送至數據總線。由于ＴＬＣ５５４０是８位模數轉換芯片，因此只將８位數字信號送至數據總線的低８位上，由ＤＳＰ芯片進一步處理。 遠程數據采集，采集端與控制端之間必須要使用高速通信電路，使得兩端能夠及時通信。在本采集系統中，為解決高速數據傳輸的問題，選用了光纜進行數據傳輸?，F代光通信技術的發展，已經使光纖通信的速率可以達到每秒鐘幾Ｇ比特，中繼距離也可達幾百千米，因此使用光纜進行數據通信，無疑是解決高速率遠距離數據傳輸問題的好方法。由于光纜本身的物理性質，其自身比較脆弱，但是可以在光纖外面使用鋼纜或鋼絲網進行加固，使得光纜的外部物理特性大大增強，保障數據的可靠傳輸。 電氣電路和光纜之間的接口使用光端機，光端機的輸入輸出接口是串行通信接口，使用非平衡傳輸方式進行數據輸入輸出。在ＤＳＰ芯片與光端機通信模塊之間，必須將總線上的并行數據串行化，轉換為串行數據，以便光端機進行光通信。ＤＳＰ接收信號時必須將光端機輸出的串行信號反串行化，轉換為并行數據，進行處理。光纜通信的速率比處理器的處理速率要高，因此，在串行器、反串行器和處理器的數據總線之間要加入先進先出存儲器，將數據暫時存儲，等積累了一定數量的數據之后，由串行化器進行發送或者處理器接收反串行化器送來的光纜上的數據。 在數據總線和串行化器／反串行化器之間加入ＦＩＦＯ，對于數據傳輸效率有很大的提高。ＩＤＴ７２Ｖ０２是ＩＤＴ公司生產的低電壓ＣＭＯＳ異步先進先出存儲器，有１０２４%26;#215;９字節的存儲空間，可以保存１Ｋ的９位字節數據。在本設計中，數據總線上的數據為八位數據，因此只使用了ＦＩＦＯ中的低八位數據作為有效數據，第九位數據用作校驗位。串行化與反串行化芯片選用了ＴＩ公司的ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２，這兩個芯片是１０：１和１：１０串行化／反串行化芯片，并行數據可以在１０ＭＨｚ～４０ＭＨｚ時鐘下傳輸，相應的串行數據可以在１００ｂｐｓ～４００ｂｐｓ的速率下傳輸。ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２均能夠工作在低功耗方式下，不傳遞數據時，可以降低整個系統的功耗，輸出數據總線可以保持高阻抗狀態。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的通用Ｉ／Ｏ接口比較少，因此數據采集板上使用了一片ＣＰＬＤ作為通用Ｉ／Ｏ的擴展接口。ＤＳＰ芯片將Ａ／Ｄ轉換器、ＦＩＦＯ、串行化／反串行化器等器件都作為統一的外設，對每一外設進行地址編碼。通過ＣＰＬＤ將ＤＳＰ的外設操作信號轉換為對具體芯片的控制信號。這樣在程序的效率以及整體電路工作的協調性上都有了很大的提高。
　?。保?地面ＰＣＩ總線控制卡的硬件設計 為了方便地面計算機對數據采集卡進行實時控制，高速接收數據，因此設計一塊ＰＣＩ卡，將從光纜送來的數據直接送至計算機的ＰＣＩ數據總線是一種高效且實用的方法。 光端機接收光纜傳遞的光信號，由反串行化器將串行數據轉換為并行數據，送至存儲器進行暫時存儲，再將整個數據段送至計算機ＰＣＩ總線，由軟件進行處理并存儲至硬盤。 ＰＣＩ卡的主要芯片為ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５２。該芯片在ＰＣＩ總線接口芯片市場有相當的份額，是在ＰＣＩ從模式接口設計卡中得到廣泛應用的接口芯片，可以提供用于適配卡的小型而高性能的ＰＣＩ總線目標，實現ＰＣＩ數據總線上的３３ＭＨｚ的數據傳輸。ＰＣＩ９０５２的主要特點有：
　?。ǎ保┻M行數據接收時，ＰＣＩ卡通過光端機接收由光纖送來的光信號，轉換為串行電信號由光端機接口送出，經過ＳＮ６５ＬＶＤＳ１２１２反串行器轉換成并行信號，由控制器送入到ＦＩＦＯ中緩存。當接收完一個數據包后，由ＰＣＩ９０５２將數據包中的數據送到計算機ＰＣＩ總線，系統軟件將接收的數據進行分析，并根據需要保存到硬盤。
　?。ǎ玻┊斢嬎銠C控制采集卡進行數據采集時，計算機軟件向總線發出命令，ＰＣＩ卡接收到系統軟件送至ＰＣＩ總線上的數據后，轉送到串行器的數據總線上，將并行數據轉化為串行數據，經光端機轉化為光信號，送至光纜向采集卡進行傳輸。