肖高賢

(湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410208)

基于DSP的數據采集系統(tǒng)設計

肖高賢

(湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410208)

介紹了一個基于工控機與DSP的高速數據采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體介紹方案，選取了系統(tǒng)的主要硬件模塊，分析了系統(tǒng)主要硬件電路的功能和部分軟件的設計思想。該方案主要圍繞實時、高速、大容量數據采集等多方面考慮，以突出方案的優(yōu)越性，為電力系統(tǒng)交流電量數據采集提出了一個有效的途徑。

DSP;數據采集

一、引言

隨著科學技術的發(fā)展，雷達、通訊、電子對抗、航天測量、圖象、多媒體等諸多領域對數據采集系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著一些新的高性能的電子芯片的推出，電子系統(tǒng)設計有了更多的選擇和更方便的條件，使交流電量同步采集得到了快速展。實現多路并行數據的高速數據采集，并且使系統(tǒng)具有良好的可擴展性，是數據采集發(fā)展的重要方向。如何將大量的數據同步快速地存儲，是采集器設計亟待解決的問題。

本文選擇以DSP芯片為主處理單元、融合工控機為從處理單元的系統(tǒng)結構方案，除了滿足對大量數據的信息處理要求外，還實現了液晶顯示和鍵盤控制功能。之所以采取 DSP加工控機的方案，是考慮到系統(tǒng)實際要處理的信息可能很多、工作量很大，如果所有用任務都交給 DSP來完成，不僅影響DSP的處理速度，恐怕還難以勝任。而PMU是低成本的，主要長處是對外部I/O設備的控制功能，但其數字信號處理能力很差，正好與DSP功能互補。在諸多任務中，對于液晶顯示、鍵盤控制等簡單處理環(huán)節(jié)可以交由工控機很好地完成，這樣充分利用了單片機在控制方面的長處，使得 DSP可以專門用于數字信號的處理和各種算法的實現，可以滿足許多實時處理的需要。

交流電量同步采集要求所有測量數據都對應一個全局時標，這就要求系統(tǒng)必須有一個高精度的同步時鐘。全球定位系統(tǒng)GPS的出現，解決了這一難題。利用GPS接收板發(fā)出的串口時間信息和同步秒脈沖，在測量系統(tǒng)內建立整個測量系統(tǒng)的實時時鐘，由串口時間信息建立測量系統(tǒng)的年、月、日和時、分、秒，由同步秒脈沖和計數器建立測量系統(tǒng)的微秒級時鐘，使測量系統(tǒng)可以在任意時刻讀出精度達到1 s的時間;在采樣過程中，不但獲得采樣點的值，同時由 DSP對該采樣點打上時間標簽，然后對采樣的數據進行傅立葉變換 (FFT)，使之成為連續(xù)的采樣波形。

要實現對較寬頻域范圍內高頻、瞬態(tài)信號細節(jié)的精確、實時測量，則要求有較高的采樣率和分辨率，實時信號處理流程則必須具備對大流量采樣數據的快速運算處理能力。就信號處理而言，DSP在內核結構和指令系統(tǒng)方面可以提供高速的不同類型、不同層次、不同定制的算法處理支持，其運算機制、尋址方式、內部資源非常豐富，不過由于DSP實時運算處理總需一定的周期的原因，另外在數據處理的同時，DSP還有一些諸如數據上傳、取控制及模塊間通訊等操作要占用外部資源，則在采樣率30MHz以上的場合，DSP并不能不丟失地存取高速A/D器件的轉換數據，于是需要借助外圍硬件電路協(xié)助控制管理數據采集進程，本文采用雙口ROM對采集的數據進行緩存，然后工控機從ROM中讀出數據，對數據進行處理。從系統(tǒng)的集成度、可重構性、可靠性等方面考慮，CPLD是這類高速數據實時數據采集系統(tǒng)外圍邏輯構造的較好選擇。CPLD的使用，將所有的邏輯都集中到一個芯片當中，極大的節(jié)省了空間，再加上可在線編程等，從而極大地增加了系統(tǒng)設計的靈活性，因而得到了越來越廣泛的應用。

二、數據采集模塊結構及工作原理

整個系統(tǒng)可分為4個部分：第1部分，數據采集及控制部分;第2部分，數據采集的數據緩存部分;第3部分，工控機數據處理部分;第4部分，人機接口部分。本文的同步采集器共采集處理6路模擬信號：UA，UB，UC，IA，IB，IC。6路模擬信號經過前端信號調理電路和A/D轉換器后變成數字信號被傳送到DSP中，通過外圍硬件電路雙口ROM對數據進行緩存，再由工控機讀取這些數據，并進行數據的處理。本文將 GPS接收板接收到的同步秒脈沖1PPS作為整個系統(tǒng)的同步時鐘。CPLD邏輯控制模塊通過接收同步秒脈沖1PPS和DSP的控制信號，并經過一定的邏輯運算產生同步采樣信號，以控制不同地點同步采集器的 A/D轉換器同時開始采樣保持和模數轉換，從而實現了交流電量的異地同步采集。另外，CPLD還負責雙口ROM的讀寫時序控制以及產生 A/D轉換器外部時鐘等。

三、數據采集系統(tǒng)的硬件選用

1.DSP的硬件選擇

系統(tǒng)中，DSP采用 TI公司 TMS320C200系列中的TMS320F2812。TMS320F2812(以下簡稱F2812)是性價比較高的一款DSP芯片，具有運行速度快、外設集成度高、存儲空間大、A/D轉換速度快、轉換精度高等特點。

2.A/D轉換電路模塊

本設計采用的是TI公司Burr－Brown產品部推出的A/D轉換器ADS7864。

3.雙口ROM的選擇

本文選用的是 IDT707278作為雙口ROM。IDT707278為32K×16位靜態(tài)雙口ROM，允許兩個端口同時讀寫數據每個端口具有獨立的控制信號線、地址線和數據線;它允許數據高速存取，最快存取時間為15 ns。

4.工控機的選取

工控機的數據處理速率必須高于數據的采集速率，不然就有可能造成數據的丟失。本文采用的SIEMENS公司生產的PC5478，采用Intel CoreTM2 Duo64位處理器，1 066 MHz前端總線;DDR2667內存技術，容量4 Gb。

5.CPLD的選擇

在選擇可編程邏輯器件時，所選器件的邏輯資源量能否滿足系統(tǒng)的要求是首要考慮的因素，但在實際調試前很難準確確定芯片耗費的資源。CPLD器件的選型大都先使用開發(fā)軟件大概估算一下需要資源量，選擇有一定冗余的器件以便充分滿足系統(tǒng)的設計要求;同時也要考慮系統(tǒng)設計完成后，有可能增加新的功能，以及后期的硬件升級的可能性。本設計選用的是Altera公司生產的一款性價比很高的MAX II系列CPLD芯片EPM1270T144C5。

四、數據采集系統(tǒng)的硬件設計

1.模擬信號輸入設計

ADS7864的模擬信號輸入可以采用單端輸入—差分輸出方式或差分輸入—差分輸出方式。6個模擬輸入通道分成3對(A、B、C)。每個A/D轉換器都有三對輸入端(A0/A1.B0/ B1.C0/C1)，可以同時采樣、轉換，因此可以保持兩個模擬輸入信號的相對相位信息。每對通道都有一個保持信號(HOLDA、HOLDB、HOLDC)，這3個保持信號同時有效就可以同時保持6路輸入信號。轉換的數據分別存放在6個寄存器中。在 A/D轉換器開始一次新的轉換時，BUSY腳變?yōu)榈碗娖?，并且在轉換進行期間一直保持低電平;在數據被鎖存到輸出寄存器之后，再升高。完成一次A/D轉換至少需要16個時鐘周期。轉換完成之后，若RD、CS端都被拉低，則可以將數據從并行輸出總線讀出。ADS7864的每個讀操作都輸出16位信息 (12位數據、3位通道地址和1位有效數據)。地址/模式信號(A0、A1、A2)選擇數據從ADS7864讀出的方式。這些地址/模式信號決定是選擇單通道模式、循環(huán)模式 (在所有通道之間循環(huán))還是先入先出(FIFO)模式。

2.數據緩沖部分的設計

利用CPLD控制向雙口ROM寫數據：先寫地址的低地址段，完成后查詢輸入FLAG2腳，若為1(在FPGA上電時默認管腳為低電平)，把LFAG0輸出反向(使之為低電平)。如果FLAG2為高電平，則說明可以向高端地址段寫入采集數據，否則繼續(xù)查詢等待，直到為真。這時，另一端的FPGA在向硬盤中寫完數據后，也要查詢是否低端地址段寫完可以繼續(xù)讀取，在高位地址段寫完之后，查詢低位地址是否被FPGA全部讀取，繼續(xù)循環(huán)操作。該方法可以實現很高的數據吞吐率，很方便易行。

五、數據采集系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)需要完成數據采集、數據傳輸、數據存儲、數據處理4個基本功能。這4部分在系統(tǒng)軟件的監(jiān)控和任務調度下協(xié)調運行。

1.A/D采樣軟件設計

這部分軟件主要完成控制A/D轉換過程并由DSP讀取轉換數據結果。在系統(tǒng)初始化工作結束后，就開始運行 A/D轉化部分程序。在 A/D轉換器開始一次新的轉換時，BUSY腳變?yōu)榈碗娖?，并且在轉換進行期間一直保持低電平;在數據被鎖存到輸出寄存器之后，再升高。完成一次A/D轉換至少需要16個時鐘周期。轉換完成之后，若RD、CS端電位都被拉低，則可以將數據從并行輸出總線讀出。如圖2所示，DSP按照預先設定好的程序順序讀取6路數據，然后采集的數據通過并行總線接口傳輸到雙ROM里，以便工控機從中讀取數據，對數據進行出分析處理。

2.DSP軟件讀寫程序設計

DSP是對數據進行采集的單元。該單元把通過A/D轉化過來的數據進行采集，初始化FLAG引腳的方向，然后把采集到的數據寫到雙ROM里通過FLAG的方向來控制工控機讀取數據。

3.工控機的軟件設計

工控機作為數據的處理單元，對雙口ROM讀取的數據進行處理，向指定的I/O寫數據“0”，使FLAG腳為0，從雙口ROM里讀出數據，進行FFT變化(即離散傅立葉變換)，并在此上完成電能質量參數的計算，包括電壓有效值、電壓偏差，功率及功率因數幅值、相位、頻率、諧波含有率、總諧波畸變率、不平衡度等參數的計算。當FLAG腳為1時，表示數據已全部讀完。

六、結論

本文設計了基于工控機與 DSP的高速數據采集系統(tǒng)，介紹了選用各個功能模塊的作用，以及部分主要硬件和軟件的設計。本文所設計的數據采集系統(tǒng)已經通過調試，并對各個模塊進行了功能測試，達到了預期的目標，電壓的有效值、電流的有效值及功率因數等主要參數的測量誤差均小于0.45%。該采集系統(tǒng)以實時同步采集、數據傳輸率高、電路簡單、可靠性高等優(yōu)點在電力系統(tǒng)交流電量數據采集上具有廣泛的應用價值。

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Design of Data Acquisition System on DSP

XIAO Gao－xiao
(Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410205，Hunan)

High－speed data acquisition based on industrial computer and DSP is introduced，and the general introduction scheme of system is presented，and the main hardware module of system is chosen，and the function of main hardware circuit of system and the design thought are analyzed.The scheme considers real time，high－speed，great capacity of data acquisition and so on，revealing advantages of the plan，which proposes an effective approach for ac data acquisition of power system.

DSP;Data acquisition

TB1

A

1671－5004(2010)03－0013－02

2010－05－02

肖高賢 (1981－)，男，湖南婁底人，湖南工業(yè)職業(yè)技術學院助教。