基于DSP和光缆通信的远程高速数据采集及处理系统的设计与应用

摘要：介绍一种以TMS320VC5402 DSP为核心处理器的高速远程数据采集与处理系统。该系统以分时采集方式对多路模拟信号进行数据采集，采样率达40MHz。经过高速处理器的实时处理，通过光缆将数据传送到主控计算机端，作进一步处理与分析。该系统可以广泛应用于需要较高频率远程模拟信号的采集处理场合。 关键词：远程数据采集 DSP 光纤通信 信号处理 随着数字信号处理技术及通信技术的发展，ＤＳＰ技术应用越来越广泛。将ＤＳＰ技术应用于高速数据采集，可以对采集数据进行实时处理，同时将高速光缆通信技术应用于远程数据采集的数据传递，能够使采集的大量信号高速可靠地传递至主控计算机作进一步的分析处理。本文介绍了一种使用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２作为处理器，用高速Ａ／Ｄ转换芯片进行数据采集与处理，使用光缆进行数据通信的高速远程数据采集板。将此采集板应用于油田超声波测井系统，为探测油井下内壁、壁厚以及油井外固井水泥环的情况提供充分的数据基础。 作为一个使用ＤＳＰ芯片作为处理器的远程数据采集系统，不但要完成数据的采集工作，而且还要能够对数据进行实时处理，然后将数据传递至远处控制端。同时，数据采集部分还要能够接收远端控制端发出的命令，及时对数据采集进行总体上的控制。 此远程数据采集系统需要完成的基本功能是：接收地面主控计算机发出的控制命令，自动完成多路超声波电信号的采集工作：将信号放大，滤波处理后数字化，经过短暂存储及初步处理，将数字化的超声波信号分组，传递至地面主控计算机，供分析软件进行数据分析。
１ 系统硬件的设计
整个系统由数据采集和计算机控制卡两部分组成。数据采集部分完成超声波信号的放大、滤波、模数转换以及处理和传输控制；计算机控制卡接收由数据采集卡经过光缆传递的数据信号，送至计算机ＰＣＩ总线，由处理软件进行数据处理。ＰＣＩ控制卡经过控制软件向数据采集卡发送数据采集命令，使数据采集卡根据命令改变工作状态。
１．１ 数据采集卡的硬件设计 图１为数据采集卡部分的电路原理图。由于数据采集板工作在恶劣的环境中，要求硬件电路保证完成尽可能多工作的同时，使用尽可能少的器件，以保证采集板能够长时间地稳定工作。 数据采集板的核心处理器是ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２。该芯片是ＴＩ公司ＴＭＳ３２０ＶＣ５４ｘ系列的ＤＳＰ芯片，是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点ＤＳＰ芯片，主要应用在通信、数据采集等系统中。该芯片采用ＣＭＯＳ制造工艺，属于第七代ＤＳＰ产品，它的工作频率可以根据需要进行调整。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２芯片内部不带ＦＬＡＳＨ程序存储器，因此，在采集板上要让ＦＬＡＳＨ存储器保存程序。使用的芯片是ＳＳＴ３９ＶＦ４００Ａ。此芯片是Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ生产的２５６Ｋ字节的１６位ＦＬＡＳＨ存储器。在电路启动时，由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２内部ＲＯＭ中的引导程序将存储在ＦＬＡＳＨ中的工作程序转移到ＳＲＡＭ中，提高程序运行效率，降低对外部ＲＯＭ的速度要求。这样，不仅可以提高系统硬件的成本，而且可以提高系统的整体抗干扰性。 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ ＤＳＰ芯片内带１６Ｋ字节的ＲＡＭ，其中一部分用来运行程序，另外一部分可以用来存储临时数据，片内的ＲＡＭ存储器不能满足数据存储容量的要求，因此在采集板上还要扩充一部分ＳＲＡＭ。此采集卡上使用的ＳＲＡＭ芯片为ＣＹ７Ｃ１０２１。此芯片是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生产的１６位６４Ｋ字节的静态ＲＡＭ存储器，采用ＣＭＯＳ工艺，具有自动低功耗模式的功能，降低系统功耗，保证低散热量。 Ａ／Ｄ转换电路使用ＴＬＣ５５４０模数转换芯片，这是ＴＩ公司的８位Ａ／Ｄ转换器，它的最高转换速率可以达到每秒４０兆字节。ＴＬＣ５５４０采用了一种改进的半闪结构，使用ＣＭＯＳ工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时，能够保持低功耗，在推荐的工作条件下，其功耗仅为７５ｍＷ。使用ＴＬＣ５５４０进行数据采集的控制信号由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２产生，采样时钟经过５４０２的ＣＬＫＯＵＴ端口分频得到。当采集卡进行数据采集时，首先ＤＳＰ芯片选通要采集的模拟信号通路，将经过处理的模拟信号送至ＴＬＣ５５４０的模拟输入端口，然后ＤＳＰ芯片通过地址使能转换芯片ＴＬＣ５５４０，控制转换芯片进行模数转换，将模拟信号转换为数据量，送至数据总线。由于ＴＬＣ５５４０是８位模数转换芯片，因此只将８位数字信号送至数据总线的低８位上，由ＤＳＰ芯片进一步处理。 远程数据采集，采集端与控制端之间必须要使用高速通信电路，使得两端能够及时通信。在本采集系统中，为解决高速数据传输的问题，选用了光缆进行数据传输。现代光通信技术的发展，已经使光纤通信的速率可以达到每秒钟几Ｇ比特，中继距离也可达几百千米，因此使用光缆进行数据通信，无疑是解决高速率远距离数据传输问题的好方法。由于光缆本身的物理性质，其自身比较脆弱，但是可以在光纤外面使用钢缆或钢丝网进行加固，使得光缆的外部物理特性大大增强，保障数据的可靠传输。 电气电路和光缆之间的接口使用光端机，光端机的输入输出接口是串行通信接口，使用非平衡传输方式进行数据输入输出。在ＤＳＰ芯片与光端机通信模块之间，必须将总线上的并行数据串行化，转换为串行数据，以便光端机进行光通信。ＤＳＰ接收信号时必须将光端机输出的串行信号反串行化，转换为并行数据，进行处理。光缆通信的速率比处理器的处理速率要高，因此，在串行器、反串行器和处理器的数据总线之间要加入先进先出存储器，将数据暂时存储，等积累了一定数量的数据之后，由串行化器进行发送或者处理器接收反串行化器送来的光缆上的数据。 在数据总线和串行化器／反串行化器之间加入ＦＩＦＯ，对于数据传输效率有很大的提高。ＩＤＴ７２Ｖ０２是ＩＤＴ公司生产的低电压ＣＭＯＳ异步先进先出存储器，有１０２４%26;#215;９字节的存储空间，可以保存１Ｋ的９位字节数据。在本设计中，数据总线上的数据为八位数据，因此只使用了ＦＩＦＯ中的低八位数据作为有效数据，第九位数据用作校验位。串行化与反串行化芯片选用了ＴＩ公司的ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２，这两个芯片是１０：１和１：１０串行化／反串行化芯片，并行数据可以在１０ＭＨｚ～４０ＭＨｚ时钟下传输，相应的串行数据可以在１００ｂｐｓ～４００ｂｐｓ的速率下传输。ＳＮ６５ＬＶ１０２１／１２１２均能够工作在低功耗方式下，不传递数据时，可以降低整个系统的功耗，输出数据总线可以保持高阻抗状态。 由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的通用Ｉ／Ｏ接口比较少，因此数据采集板上使用了一片ＣＰＬＤ作为通用Ｉ／Ｏ的扩展接口。ＤＳＰ芯片将Ａ／Ｄ转换器、ＦＩＦＯ、串行化／反串行化器等器件都作为统一的外设，对每一外设进行地址编码。通过ＣＰＬＤ将ＤＳＰ的外设操作信号转换为对具体芯片的控制信号。这样在程序的效率以及整体电路工作的协调性上都有了很大的提高。
１．２ 地面ＰＣＩ总线控制卡的硬件设计 为了方便地面计算机对数据采集卡进行实时控制，高速接收数据，因此设计一块ＰＣＩ卡，将从光缆送来的数据直接送至计算机的ＰＣＩ数据总线是一种高效且实用的方法。 光端机接收光缆传递的光信号，由反串行化器将串行数据转换为并行数据，送至存储器进行暂时存储，再将整个数据段送至计算机ＰＣＩ总线，由软件进行处理并存储至硬盘。 ＰＣＩ卡的主要芯片为ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５２。该芯片在ＰＣＩ总线接口芯片市场有相当的份额，是在ＰＣＩ从模式接口设计卡中得到广泛应用的接口芯片，可以提供用于适配卡的小型而高性能的ＰＣＩ总线目标，实现ＰＣＩ数据总线上的３３ＭＨｚ的数据传输。ＰＣＩ９０５２的主要特点有：
（１）进行数据接收时，ＰＣＩ卡通过光端机接收由光纤送来的光信号，转换为串行电信号由光端机接口送出，经过ＳＮ６５ＬＶＤＳ１２１２反串行器转换成并行信号，由控制器送入到ＦＩＦＯ中缓存。当接收完一个数据包后，由ＰＣＩ９０５２将数据包中的数据送到计算机ＰＣＩ总线，系统软件将接收的数据进行分析，并根据需要保存到硬盘。
（２）当计算机控制采集卡进行数据采集时，计算机软件向总线发出命令，ＰＣＩ卡接收到系统软件送至ＰＣＩ总线上的数据后，转送到串行器的数据总线上，将并行数据转化为串行数据，经光端机转化为光信号，送至光缆向采集卡进行传输。

２ 系统软件的设计
远程数据卡的实时系统控制软件包括两部分：采集卡上ＤＳＰ控制及数据处理软件；上位机接收并处理ＤＳＰ发送来的数据的实时处理控制软件。 固化在采集板上的ＤＳＰ处理程序是软件部分的主体，程序主流程图如图２所示。 软件采用模块化的设计方法，其中包括采集卡的初始化、定时器处理、数据采集控制、数据处理,以及接收和发送数据几个模块。采集卡启动ＤＳＰ芯片首先通过ＢＯＯＴ ＬＯＡＤＥＲ程序将存储在ＦＬＡＳＨ中的程序代码转移到ＲＡＭ中，高速运行程序。程序首先进行初始化，然后由ＤＳＰ本身完成对数据的自动采集，计算机并不参与采集的具体过程。采集后的数据暂时存储在ＲＡＭ中，当采集到一定数量的一组数据，由ＤＳＰ芯片对数据根据需要进行处理。例如，对信号进行互相关、自相关、功率谱、互谱、压缩算法等分析计算，减少传输过程以及上位机的负担。经过处理获得数据，ＤＳＰ芯片将其按照一定的协议送至传输总线，控制串行化器通过光端机将其传送至上位主机，以进一步分析、处理数据。ＤＳＰ程序使用ＣＣＳ集成开发环境开发，编程语言使用Ｃ语言与汇编语言相结合的方法，程序整体使用Ｃ语言编写以提高程序开发周期。对于实时性要求强或比较复杂的算法，为提高ＤＳＰ代码芯片的执行效率，使用汇编语言编写。 上位机的软件编写包括ＰＣＩ卡驱动程序和应用程序两部分。在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统下，普通用户不能进行直接读写物理地址和读取系统分配的资源信息的底层硬件操作，因此，在硬件设施完备的基础上，编写ＰＣＩ接口卡的驱动程序，是上位机工作软件中的一个重要环节。使用Ｊｕｎｇｏ公司的Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ开发工具编写本ＰＣＩ卡的驱动程序。该程序为一般的用户应用程序提供了一个很好的底层硬件接口，对于实时性要求不很严格的情况下，应用程序能够直接对底层硬件进行操作。由于本系统的数据采集工作完全由采集卡上的ＤＳＰ自动控制完成，计算机对采集卡的控制只是一些工作方式的控制选择，因此对于ＰＣＩ卡的时序要求并不十分严格，使用Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ开发ＰＣＩ卡的驱动程序完全可以满足需要。 用户应用程序使用高级语言进行开发，通过Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ提供的接口，程序控制者可以利用对ＰＣＩ卡的操作向采集卡发出控制命令，同时接收ＰＣＩ卡送来的采集数据信息，对数据进一步处理、存储。
３ 试验结果
在实际的油井测量实验中，选用１ＭＨｚ的超声波信号，对５．５英寸的套管井进行测量，用１０ＭＨｚ的采样率对超声波信号进行采样。采集接收到的超声波数据，计算机上得到的数据经过转换和处理，可以为超声波测井提供充分的依据。如图３所示。

４ 设计中需要注意的问题
采集卡的设计过程中，主要问题在于硬件电路的设计。ＤＳＰ芯片是高速数据处理芯片，外部总线的速率若达到４０ＭＨｚ，内部的时钟则可以达到更高。因此设计上要充分考虑ＤＳＰ芯片引脚的外接方式和工艺特性。采集卡上有数字和模拟两种信号系统，在设计时要将数字信号和模拟信号电气上相互隔离，距离要尽量远，减少两种信号之间相互干扰。在每个元件的电源引脚附近都要加上一个小滤波电容，减小电源的不稳定因素。系统的电源设计要使用响应快、稳定性好、精度高的电源芯片，电源输出加上大的滤波电容以提高整个电路板的稳定性。尽量选用贴片封装的元件，减小元件本身散热量的同时增加电路焊接的可靠性以及抗干扰性。元件分布版面设计时，元件在电路板上的质量分布要均匀，以增加电路板的机械性能。 本文介绍了一种基于ＤＳＰ芯片、通过光缆进行数据传递的高速远程数据采集系统，设计了一套完整的远程高速数据采集方案。该方案在强大的ＤＳＰ处理器控制下利用高速Ａ／Ｄ芯片完成多路模拟信号的分时采集工作，采集后的数据可以进行实时处理与高速传输。将该数据采集卡应用于油田超声波测井系统，对超声波测井信号进行高速采集，送至计算机进行数据分析处理，为测井工作提供了充足的数据基础。