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DSP和ADS8364的高速数据采集处理系统设计方案解析
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2017-10-23
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随着现代科学技术的发展和计算机技术的普及，高速数据采集系统已应用于越来越多的场合，如通信、雷达、生物医学、机器人、语音和图像处理等领域。本文介绍的数据采集处理系统采用CPLD控制ADS8364完成数据的A/D转换，转换后的数据预先存储到FIFO中，再经DSP进行前端的数字信号处理后，通过USB总线传给上位机，并在上位机上进行存储、显示和分析等。该系统完全可以满足信号采集处理对高精度及实时性的要求。
1 系统原理
数据采集处理系统主要由前端信号调理电路、ADC芯片ADS8364、CPLD芯片EPM3128A、DSP芯片TMS320F2812、USB芯片CY7C68013及其外围电路组成。系统原理框图如图l所示。
系统主要完成的任务为：DSP接收上位机通过USB总线发送的命令，完成系统工作参数的设置，并通过模拟地址／数据总线与CPLD进行通信，向CPLD发送控制命令；对外部的多路模拟量输入进行信号调理，在CPLD控制下进行单通道或多通道A/D转换，将采集到的数据存储在一片FIFO芯片中；当FIFO中存储的数据半满时，对DSP产生一个中断信号，DSP收到此中断信号后，取出FIFO中的部分数据，进行前端数字信号处理，将处理完毕的数据通过USB总线传给上位机；上位机实现各种图形界面操作和后端信号处理，对所采集的信号进行分析。系统可对输入的多路模拟信号进行同步采样，这就使得采集到的数据不仅含有模拟信号的幅度特性，同时还保持不同模拟信号之间的相位差异；采样频率可以预置，以适应不同速率的采样要求。
2 系统硬件
系统硬件包括信号调理模块、A／D转换模块、DSP处理器模块、CPLD逻辑控制模块以及USB通信模块。
2．1 信号调理模块的设计
外部的多路模拟量输入信号往往是微弱的传感器信号，信号的幅值较小，为了方便且不失一般性，假定其幅值范围为O~25mV。ADS8364待转换的模拟输入电压范围应保持在AGND-0．3V和AVDD+O．3V之间。这里选用低功率变增益仪表放大器INAl29对模拟量输入信号进行调理放大，将其放大为0~5V之间。
INAl29是BURR-BROWM公司的一种小功率通用仪表放大器，具有优异的精度和很宽的带宽，在增益高达100时，带宽达200kHz。它可用单一外部电阻器调节其增益，调节范围为l~10000，其放大倍数计算公式为：
从而使放大输出电压在O～5V之间。信号调理模块原理图如图2所示。
2．2 A／D转换模块的设计
该模块采用了TI公司的高速、低功耗、六通道同步采样模/教转换器ADS8364，它采用+5V工作电压，其6个模拟输入通道分为三组（A，B和C），每组都有一个ADCs保持信号（HOLDA，HOLDB和HOLDC），用来启动各组的AID转换，6个通道可以进行同步并行采样和转换。ADS8364采用具有80dB共模抑制能力的全差分输入通道，将其REFin和REFout引脚接到一起，为差分电路提供2．5V的参考电压。这里模拟量采用单端输入，将-IN端接共模电压2．5V，+IN端接前端信号调理模块的输出。
ADS8364的时钟信号由外部提供，最高频率为5MHz，对应的采样频率是250kHz。这里由CPLD提供时钟信号，主要是考虑到CPLD可以灵活地改变时钟频率，进而改变系统的采样频率。A／D转换完成后产生转换结束信号EOC。将ADS8364的。BYTE引脚接低电平，使转换结果以16位的方式输出。地址/模式信号（A0，Al，A2）决定ADS8364的数据读取方式，可以选择的方式包括单通道、周期或FIFO模式。将ADD引脚置为高电平，使得读出的数据中包含转换通道信息。考虑到数据采集处理系统的采样频率一般较高，如果用DSP直接控制ADS8364的访问，将占用DSP较多的资源，同时对DSP的实时性要求也较高。因此在本系统设计中，用CPLD实现ADS8364的接口控制电路，并将转换结果存储在FIFO芯片中，用DSP实现FIFO芯片的输出接口。
1 系统原理
数据采集处理系统主要由前端信号调理电路、ADC芯片ADS8364、CPLD芯片EPM3128A、DSP芯片TMS320F2812、USB芯片CY7C68013及其外围电路组成。系统原理框图如图l所示。
系统主要完成的任务为：DSP接收上位机通过USB总线发送的命令，完成系统工作参数的设置，并通过模拟地址／数据总线与CPLD进行通信，向CPLD发送控制命令；对外部的多路模拟量输入进行信号调理，在CPLD控制下进行单通道或多通道A/D转换，将采集到的数据存储在一片FIFO芯片中；当FIFO中存储的数据半满时，对DSP产生一个中断信号，DSP收到此中断信号后，取出FIFO中的部分数据，进行前端数字信号处理，将处理完毕的数据通过USB总线传给上位机；上位机实现各种图形界面操作和后端信号处理，对所采集的信号进行分析。系统可对输入的多路模拟信号进行同步采样，这就使得采集到的数据不仅含有模拟信号的幅度特性，同时还保持不同模拟信号之间的相位差异；采样频率可以预置，以适应不同速率的采样要求。
2 系统硬件
系统硬件包括信号调理模块、A／D转换模块、DSP处理器模块、CPLD逻辑控制模块以及USB通信模块。
2．1 信号调理模块的设计
外部的多路模拟量输入信号往往是微弱的传感器信号，信号的幅值较小，为了方便且不失一般性，假定其幅值范围为O~25mV。ADS8364待转换的模拟输入电压范围应保持在AGND-0．3V和AVDD+O．3V之间。这里选用低功率变增益仪表放大器INAl29对模拟量输入信号进行调理放大，将其放大为0~5V之间。
INAl29是BURR-BROWM公司的一种小功率通用仪表放大器，具有优异的精度和很宽的带宽，在增益高达100时，带宽达200kHz。它可用单一外部电阻器调节其增益，调节范围为l~10000，其放大倍数计算公式为：
从而使放大输出电压在O～5V之间。信号调理模块原理图如图2所示。
2．2 A／D转换模块的设计
该模块采用了TI公司的高速、低功耗、六通道同步采样模/教转换器ADS8364，它采用+5V工作电压，其6个模拟输入通道分为三组（A，B和C），每组都有一个ADCs保持信号（HOLDA，HOLDB和HOLDC），用来启动各组的AID转换，6个通道可以进行同步并行采样和转换。ADS8364采用具有80dB共模抑制能力的全差分输入通道，将其REFin和REFout引脚接到一起，为差分电路提供2．5V的参考电压。这里模拟量采用单端输入，将-IN端接共模电压2．5V，+IN端接前端信号调理模块的输出。
ADS8364的时钟信号由外部提供，最高频率为5MHz，对应的采样频率是250kHz。这里由CPLD提供时钟信号，主要是考虑到CPLD可以灵活地改变时钟频率，进而改变系统的采样频率。A／D转换完成后产生转换结束信号EOC。将ADS8364的。BYTE引脚接低电平，使转换结果以16位的方式输出。地址/模式信号（A0，Al，A2）决定ADS8364的数据读取方式，可以选择的方式包括单通道、周期或FIFO模式。将ADD引脚置为高电平，使得读出的数据中包含转换通道信息。考虑到数据采集处理系统的采样频率一般较高，如果用DSP直接控制ADS8364的访问，将占用DSP较多的资源，同时对DSP的实时性要求也较高。因此在本系统设计中，用CPLD实现ADS8364的接口控制电路，并将转换结果存储在FIFO芯片中，用DSP实现FIFO芯片的输出接口。
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