原创 一种基于A／D和DSP的高速数据采集技术

1 数据采集系统组成及原理
    数据采集系统由A／D、FIFO、CPLD以及数字信号处理板组成，图1为采集系统的组成框图。

    系统中，和路和差路中频信号都是模拟中频信号，经过A／D芯片将模拟信号变成数字信号，再经过FIFO芯片，将采集到的数据送入数字信号处理板。数字信号处理板中的处理器是DSP。DSP的数据线和2片FIFO的数据线连接，同时也和CPLD连接，地址线和CPLD连接。2片FIFO芯片的读写控制逻辑由1个CPLD进行控制。CPLD与上位机的数据线、地址线连接，数字信号处理板通过CPLD和上位机通信。

2 芯片的特点及选择
2.1 AD6644高速模数转换器
    AD6644是一种单片式的高速、高性能的14位模／数转换器，内含采样保持电路和基准源。AD6644提供兼容3．3V CMOS电平输出；采样速率最高可达65Msps，一般采样速率为40 Msps；信噪比典型值为74 dB，无杂散动态范围SFDR为100 dB；功耗为1．3W，输入模拟带宽可达250 MHz，温度范围为-25℃～+85℃。
    AD6644采用三级子区式的转换结构，既保证了精度又降低了功耗，其功能框图如图2所示。它的模拟信号输入方式是差分结构，每个输入的电压以2．4V为中心，上下范围在0．55V以内。由于两个输入的相位相差180°，所以AD6644的摸拟输入信号的最大峰一峰值为2．2V。由图2可以看出，差分模拟输入端先经过缓冲后进入第一个采样保持器(THl)。当编码时钟为高时，THl进入保持状态。TH1内保持的值作为粗的5位ADCl的输入。ADCl的数字输出驱动一个5位数／模转换器DACl。DACl要求具有通过激光校正的14位精度。延迟的模拟信号与DACl的输出相减，产生第一剩余信号，并送给采样保持器TH3。采样保持器TH2的作用是延迟，为补偿ADCl的数字延时提供了模拟延时，使送入TH3的两路信号同时到达。

    第一剩余信号进入由5位ADC2，5位DAC2和通道TH4组成的第2转换阶段。第2个DAC要求具有校正的10位精度。TH5的输入是通过由DAC2输出与被TH4延迟第1个剩余信号而获得的第2个剩余信号相减，TH4与TH2的作用相同。TH5驱动最后6位ADC3。ADCl、ADC2、ADC3的数字输出总和与数字误差校正逻辑一起产生最终的输出数据，结果是14位二进制补码编码的并行数据。
2．2 TMS320C6713
    本模块的DSP芯片选用TI公司的浮点数字信号处理器TMS320C6713。TMS320C6713内有8个并行的处理单元，分为相同的两组。其体系结构采用超长指令字(VLIW，Very Long Instruction Word)结构，单指令长32位，8个指令组成一个指令包，总共字长为8×32=256位。芯片内部设置了专门的指令分配模块，可以将每个256应的指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行。芯片的最高时钟频率达225MHz，其最大处理能力可以达到1800MIPS。TMS320C6713的以上特点，保证了后端信号处理的实时性，能满足本系统的性能要求。
2．3 FIFO存储器IDT72V253
    FIFO存储器允许数据以不同的速率写入和读出，IDl72V253是一种高速的4096字×18位的FIFO器件，如图3所示。其最高频率可达166MHz，数据写入数据读出时间均为10ns。当锁入的字数超过4096时，存储器进入满状态。FIFO的状态可通过时间和状态位——满(FF／IR)、空(EF／OR)、半满(HF)、PAE和PAF来获得。当存储器满时，FF／IR输出为低电平；当存储器为空时，EF／OR输出为低电平。当FIFO存有不少于2048字内容时，HF输出为高。PAE和PAF状态位是可编程状态位。当写使能端WEN电平变低时，待送入FIFO的数据在WCLK时钟的同步下送入FIFO，当第一个字被写入时，EF／OR引脚的电平变为高电平；当送入的数据超过(n+1)(n为PAE的偏置值)个字时，可编程状态位PAE变为高电平；当有(D／2)+l(2049)个字写入时，HF引脚电平变低；随着数据的继续写入，会引起PAF引脚电平变低。如果没有数据读出，当有(D-m)(4096-m)个字写入时，PAF引脚电平变低。当FIFO数据写满时(对于IDT72V253，就是写入4096个
字)，FF／IR位变为低电平，阻止数据的进一步写入。当FIFO写满时，第一个读操作将会引起FF位电平变高，后来的读操作将会引起HF和PAF引脚电平变高。当FIFO里面只有n个字时，PAE引脚电平变低；当最后一个字从FIFO读出时，EF引脚电平变低，阻止进一步的读操作。

3 高速A／D转换器与DSP的接口设计
3．1 接口设计
    AD6644是14位模数转换器，IDT72V253是18位FIFO，TMS320C6713 DSP的数据总线是32位，所以IDT72V253和TMS320C6713只需接低14位的DO～D13。由于FIFO的先入先出特殊结构，系统中不需要任何地址线的参与，大大简化了电路。A／D采样所得数据要实时送入FIFO，因此两者的写时钟频率必须一样，且AD6644和IDT72V253的最小时钟输入都是10ns，操作起来统一方便。CPLD选用Xilinx公司的xc95144x1-tql44，用它实现四二输入与门，把TMS320C6713的通用缓冲串口(Mcbsp)中的DX、FSX配置为通用输出口(GPIO)，对这个四二输入与门的通断进行控制，从而对A／D转换器和FIFO的写时钟进行控制。由于外部FIFO占用着TMS320C6713的CEO空间，所以读信号的逻辑关系为：R=CEO+ARE，TMS320C6713的CEO和ARE相“与”后与IDT72V253的RCLK相连，为FIFO提供读时钟(CE0和ARE相“与”由xc95144xl-tql44完成)。TMS320C6713的CLKX与IDT72V253的复位信号PRS相连用以复位FIFO。接口框图如图4所示。

3．2 时序设计
    通过两个“与”门分别对A／D转换器和FIFO的写时钟进行控制，因为AD6644从模拟输入开始到该次转换的数据出现在输出口上需要4个时钟周期，并且在高速度采样时导线的延时效果会非常明显，若把A／D转换器和FIFO的时钟连在一起，很可能过多地采到无效数据。分开控制以后，通过软件延时，可以方便地分别对A／D转换器和FIFO的时钟进行控制，调试起来相当方便，力图把采到无效数据的位数减至最低。AD6644的工作时序如图5所示，IDT72V253写时序如图6所示。
    采样时，通过程序使DX和FSX输出为1。此时采样脉冲与DX、FSX相“与”后被分别送入AD6644的时钟输入ENCODE和IDT72V253的写时钟输入WCLK，A／D转换器开始工作，且不断将转换数据送至自己的输出口D0～D7。当写使能WEN为低时，A／D转换器输出口上的数据在WCLK的上升沿被依次写入FIFO。A／D转换器和FIFO每来一次脉冲，便完成一次模数转换并把数据顺序存入FIF。使IDT72V253的LD为低、FSEL0为高、FSEL1为高时，IDT72V253经过主复位后，偏移值n、m为默认值63，每个雷达回波脉冲采样63个点后，存储器几乎满标志PAF输出低电平(在未到63时输出高电平)。把此标示接到TMS320C6713的外部中断INT0上，利用它由高到低的变化产生中断，以表明一组数据采集完成。
    在中断中，DSP首先迅速关闭采样脉冲信号(使DX和FSX的输出为0)，停止A／D转换器和FIFO的工作。TMS320C6713的CE0和ARE相“与”后与FIFO的读输入RCLK接在一起，DSP每执行一次I／O读操作，R=CE0+ARE便向RCLK发出一脉冲，把FIFO读使能PEN置为低，同时连续执行63次I／O读操作，数据便依次从IDT72V253送入TMS320C6713，整个数据采集工作就此完成。在进行第二次数据的采集前，最好将IDT72V253先复位，把TMS320C6713通用缓冲串口的CLKX配置为通用输出口，给IDT72V253的PRS引脚输入一个不小于10ns的低脉冲，即在DSP的CLKX引脚输出一个低脉冲。这样可以更充分地保证FIFO的读、写指针的稳定。
3.3 软件设计
    软件设计包括CPLD和DSP两个部分。CPLD程序用VHDL语言编写，实现简单的逻辑转换功能，程序设计比较简单。DSP编程中有几个关键步骤：外部中断使能、时钟送入A／D转换器和FIFO、等待中断、停止A／D转换器和FIFO、采集数据、复位FIFO。整个软件流程如图7所示。

4 结论
    通过实际设汁表明，在DSP高速数据采集系统中，采用FIFO器件作为A／D转换器与DSP之间的桥梁，可以根据具体需要灵活设置FIFO的各个标志，使其具有很强的外部接口能力；并且通过软件很容易调整A／D转换器、FIFO和DSP的操作时序，增强了操作的灵活性，起到了很好的数据缓冲作用，保证了数据采集的安全可靠。系统硬件具有结构简单、性能可靠的特点；软件具有控制灵活、程序调试方便等优点。