柴 源，孫翠翠，阮 鵬，張玉梅

（1．吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院；2.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000）

基于DSP的激光脈沖信號(hào)采集與串口通信方法研究

柴 源1，孫翠翠2，阮 鵬1，張玉梅2

（1．吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院；2.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000）

本文主要利用DSP對脈沖信號(hào)進(jìn)行采集與處理，并對DSP與上位機(jī)之間串口通信的方法進(jìn)行了研究.以TMS320LF2407為數(shù)據(jù)采集的核心，利用其模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成數(shù)據(jù)的采集；通過串口通信模塊實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸.

數(shù)據(jù)采集；DSP；串口通信

1 引言

上世紀(jì)80年代，隨著激光技術(shù)的誕生與飛速發(fā)展，激光技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、軍事及國防等各個(gè)領(lǐng)域.尤其在軍事國防領(lǐng)域，激光脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)成為了普遍關(guān)注和研究的重點(diǎn).若采用有效合理的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，就能進(jìn)一步提高脈沖信號(hào)采集及串口通信進(jìn)行傳輸?shù)乃俣?，為后續(xù)的告警系統(tǒng)發(fā)出警告、啟動(dòng)相應(yīng)的干擾和實(shí)施掩護(hù)措施提供即時(shí)準(zhǔn)確的信息.由此可見，對激光脈沖信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理、串口通信技術(shù)方法的深入研究，有著十分重要的意義.

2 DSP信號(hào)采集與串口通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以TMS320LF2407作為數(shù)據(jù)采集的核心，對激光脈沖信號(hào)進(jìn)行采集處理，將接收的激光脈沖信號(hào)，通過光電轉(zhuǎn)換模塊、DSP號(hào)采集處理模塊、串口通信模塊傳送給上位機(jī)，完成對激光信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與串口通信過程.圖1為系統(tǒng)的整體框圖.

圖1 信號(hào)采集處理與串口通信系統(tǒng)框圖

2.1 光電轉(zhuǎn)化模塊

光電轉(zhuǎn)化模塊作為信號(hào)處理的前置調(diào)理模塊，主要負(fù)責(zé)將接收到的激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行放大處理.

對高速脈沖信號(hào)的放大處理，一般都采用集成運(yùn)算放大器[1].其優(yōu)點(diǎn)主要是：（1）輸入級(jí)是差分電路，可以有效減少溫漂；（2）輸入低電流狀態(tài)可以獲得高輸入阻抗；（3）中間電壓放大級(jí)采用有源負(fù)載的共發(fā)射極電路，增益大；（4）輸出級(jí)為互補(bǔ)對稱電路，輸出功率大、輸出電阻??；（5）偏置電路中各種電流源給各級(jí)電路提供合適的靜態(tài)電流.

本文的激光脈沖信號(hào)前沿上升時(shí)間為5～6ns，放大器的帶寬在60～70MHz，就可以滿足系統(tǒng)的要求.放大電路采用AD8331集成運(yùn)算放大器，對放大器GAIN引腳進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定電壓為0.6V，可得到30dB的電壓增益.同時(shí)，連接退耦電容來防止電源的紋波干擾.放大電路原理圖如圖2所示.

圖2 放大電路原理圖

圖3 高速比較電路原理圖

信號(hào)通過放大電路，信號(hào)幅值被放大，但因其脈寬窄，要想被DSP準(zhǔn)確無誤的采集到，需連接峰值保持電路，使信號(hào)的峰值保持時(shí)間滿足系統(tǒng)采集所需要的最小時(shí)間.為了提高信號(hào)的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步防止噪聲所帶來的誤觸發(fā)，在峰值保持電路后接一個(gè)高速比較電路，通過設(shè)定輸入電壓的范圍，來濾除干擾信號(hào).對于高速比較電路的選擇，需要滿足兩個(gè)條件：（1）傳輸時(shí)間為納秒級(jí)；（2）輸出電壓范圍符合DSP外部中斷所要求的電壓值.出于對以上兩點(diǎn)考慮，選擇傳輸時(shí)間為4納秒、輸出電平為TTL電平的AD8612作為比較電路，電路圖如圖3所示.

采用AD8612最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過對電阻的設(shè)定，來調(diào)節(jié)輸入電壓的范圍.從高速比較電路出來的信號(hào)，即為DSP的外部硬件中斷信號(hào).

2.2 DSP信號(hào)采集處理模塊

TMS320LF2407DSP具有強(qiáng)大的內(nèi)外片資源，放棄了傳統(tǒng)單片機(jī)的馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，采用了程序存儲(chǔ)總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線分開的哈佛結(jié)構(gòu)[2].在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主要用到了數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、串口通信模塊.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖4所示.

圖4 DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊圖

TMS320LF2407DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC的排序器可以選擇單獨(dú)的8個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道，也可以選擇2個(gè)排序器級(jí)聯(lián)成16個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道，這兩種ADC排序器的工作方式比較如下表所示.

表1 兩種ADC排序器工作方式對比

ADC模塊的啟動(dòng)方式是DSP響應(yīng)外部中斷信號(hào)，或是通過查詢I/O口初始信號(hào)來進(jìn)行啟動(dòng).因?yàn)樾枰杉男盘?hào)是脈沖信號(hào)，信號(hào)到來時(shí)間不固定，若采用I/O口查詢初始信號(hào)方式來啟動(dòng)ADC模塊，DSP的主要工作就都被查詢I/O口是否有信號(hào)占用，處理其他工作的資源將被占用.相反，外部中斷方式不需要DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，只在有外部中斷時(shí)進(jìn)行響應(yīng)，且中斷結(jié)束后，不影響DSP繼續(xù)之前的數(shù)據(jù)處理.從兩種方式相互比較可以看出，中斷方式可以更好地處理數(shù)據(jù)，不影響DSP的工作效率.當(dāng)一個(gè)外設(shè)引起中斷，則在DSP中與其對應(yīng)的中斷使能位就會(huì)被設(shè)置為1，從而向外設(shè)中斷請求寄存器發(fā)出請求信號(hào)，使外設(shè)中斷請求寄存器（PIRQR）相應(yīng)位置1，并且為了方便CPU區(qū)分不同的外設(shè)中斷請求，在中斷向量寄存器（PIVR）中，分別加載中斷向量，每中斷向量對應(yīng)唯一一個(gè)外設(shè)中斷請求都.在中斷控制寄存器里，PIRQR這個(gè)位信息被邏輯綜合后，產(chǎn)生中斷請求，CPU根據(jù)不同的中斷向量，判斷并響應(yīng)中斷.

通過對DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC排序器及啟動(dòng)方式等分析比較，并且從盡量使信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，并降低系統(tǒng)成本角度考慮，TMS320LF2407DSP內(nèi)部的ADC就可以滿足系統(tǒng)要求[3].這里ADC排序器選擇單8通道（SEQ1）排序器工作方式，由多路選擇器選擇6路模擬輸入通道；中斷選擇外部電平上升沿觸發(fā)方式，引腳XINT2/ADCSOC作為觸發(fā)源，而其余的內(nèi)部中斷，都固定為邊沿觸發(fā)方式，它們與中斷控制器的連接都由DSP的內(nèi)部總線來完成.設(shè)外設(shè)中斷寄存器XINT2中的位2=1時(shí)，與設(shè)定向量值相同，則響應(yīng)外部中斷請求，啟動(dòng)ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且對每路信號(hào)進(jìn)行多次采樣，得到平均值.

數(shù)據(jù)采集完成后，需要將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)模塊.對于系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)的傳輸量與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量都不大，因此DSP內(nèi)部的存儲(chǔ)模塊滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，不需要外加存儲(chǔ)器.存儲(chǔ)模塊中，每個(gè)存儲(chǔ)單元與模擬信號(hào)輸入是一一對應(yīng)的.將逐次轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入與其模擬通道相對應(yīng)的結(jié)果寄存器中，即第N通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，保存在結(jié)果寄存器RESULTn(N)中，以此類推.對于沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的通道，ADC在轉(zhuǎn)換之前就會(huì)將其舍棄，保證轉(zhuǎn)化效率.圖5為ADC工作流程圖.

圖5 ADC進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖

經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)雖然存儲(chǔ)在與其相對應(yīng)的結(jié)果寄存器RESULTn中，但RESULTn寄存器中的數(shù)據(jù)不能直接傳輸.此時(shí)，通過對DSP進(jìn)行軟件編程，將寄存在RESULTn中的數(shù)據(jù)提取出來，存放在系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生的串口通信寄存器中，數(shù)據(jù)才能用于串口通信傳輸.

2.3 串口通信模塊

TMS320LF2407DSP芯片本身的串行通信接口SCI模塊，可編程、支持RS-232協(xié)議[4].只要異步外設(shè)使用的是標(biāo)準(zhǔn)格式，就支持CPU與其之間的數(shù)字通信.它的接收器和發(fā)送器分別有各自的使能位和中斷位，并且是雙緩沖的，可獨(dú)立在雙工模式下工作.無論是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)，可以借助中斷驅(qū)動(dòng)或通過查詢來完成.SCI-RXD和SCI-TXD這兩個(gè)引腳，是SCI模塊外部的輸入/輸出引腳.當(dāng)DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器SCITXBUF從CPU裝載數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)從發(fā)送引腳SCI-TXD發(fā)送出去；當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收引腳SCI-RXD將接收到的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)緩沖寄存器(SCIRXBUF)中.SCI模塊在檢測串行通信接口工作狀態(tài)的同時(shí)，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶性、間斷性檢測等檢查，保證了數(shù)據(jù)的完整性.

由于DSP的SCIRXD、SCITXD兩個(gè)引腳采用TTL電平，即在數(shù)據(jù)傳輸線TXD和RXD上，+3V～+15V代表邏輯“0”，-3V～-15V代表邏輯“1”；而RS-232標(biāo)準(zhǔn)中邏輯電平由正負(fù)電壓來表示，因此，在DSP和上位機(jī)之間需加入一個(gè)硬件電路，使TTL電平和RS-232傳輸電平在接收和發(fā)送時(shí)能夠進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，保證電平相匹配，才能進(jìn)行串行通信.本文采用了功耗低、集成度高的MAX232作為RS-232接口電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換電路.并加入一個(gè)二極管和三個(gè)電阻這樣的典型電平匹配電路，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.MAX232是+5V供電，電平表示“1”，可將-3～－15V電平轉(zhuǎn)化為邏輯“1”；供電電壓0V時(shí)，電平表示“0”，可將＋3～＋15V電平轉(zhuǎn)化為邏輯“0”，簡化了外圍接口電路，提高了可靠性.串行通信接口電路的原理圖如圖6所示.

圖6 串行通信接口電路的硬件電路圖

2.4 DSP與上位機(jī)串行通信的軟件設(shè)計(jì)

DSP與上位機(jī)進(jìn)行接收數(shù)據(jù)/發(fā)送數(shù)據(jù)通信前，需要對SCI串行模塊進(jìn)行初始化，并且對波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)位等進(jìn)行設(shè)置，且保證設(shè)置與PC機(jī)上的設(shè)置相一致，才能保證通信的正常進(jìn)行[5,6].當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DSP通過微控制器控制數(shù)據(jù)發(fā)送過程；與DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所具有的主動(dòng)性不同，DSP接收數(shù)據(jù)時(shí)則具有隨機(jī)性，每接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SCIRXBUF寄存器中，DSP要想繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，必須及時(shí)將之前存入SCIRXBUF寄存器中的數(shù)據(jù)取走，才能繼續(xù)數(shù)據(jù)接收工作.DSP在接收上位機(jī)所發(fā)總的數(shù)據(jù)指令時(shí)，同樣也具有兩種接收方式：查詢方式和中斷方式.查詢方式需要設(shè)定程序，以循環(huán)檢測方式實(shí)時(shí)檢測端口是否接收到數(shù)據(jù)，在串行口和接口電路之間交換數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息，嚴(yán)重影響DSP的利用率；而中斷方式同樣也不需要實(shí)時(shí)查詢，并且不影響主程序的運(yùn)行，可有效的減少片內(nèi)資源損耗，有助于系統(tǒng)通信實(shí)用性的提高.根據(jù)以上分析，DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過在程序中設(shè)置發(fā)送標(biāo)志位，并查詢標(biāo)志位是否成立，如果成立則DSP調(diào)用函數(shù)，發(fā)送給上位機(jī)接收；發(fā)送流程圖如圖7所示.上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，DSP接收采用中斷方式，響應(yīng)中斷服務(wù)程序來接收數(shù)據(jù)，接收流程圖如圖8所示.

采用函數(shù)調(diào)用和系統(tǒng)中斷方式進(jìn)行串口通信，不僅提高了DSP的工作效率，使數(shù)據(jù)及時(shí)可靠的傳遞，還可以為DSP后續(xù)工作節(jié)省資源，方便數(shù)據(jù)管理及調(diào)整監(jiān)控，有利于系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)與利用.DSP整體電路原理圖如圖9所示.

圖7 DSP串行通信發(fā)送流程圖

圖8 串行通信接收流程圖

圖9 DSP部分電路圖

3 結(jié)論

本文主要對激光脈沖信號(hào)采集與串口通信的方法進(jìn)行了主要研究，通過對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，利用DSP對數(shù)據(jù)進(jìn)行了接收處理，及DSP與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，并進(jìn)行了初步調(diào)試.與傳統(tǒng)單片機(jī)相比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)處理快速、程序設(shè)定簡易，為今后系統(tǒng)進(jìn)一步提高信號(hào)的準(zhǔn)確度，設(shè)計(jì)抗干擾濾波方法及人機(jī)交互界面的研究打下了基礎(chǔ).

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1673-260X（2016）12-0030-03

2016-09-07