基于DSP和以太网的数据采集处理系统

随着测试技术的不断发展进步，低功耗、高性能的DSP可取代通用单片机，用在数据采集处理系统中；以太网技术也正在数据采集、测试测量技术中发挥越来越大的作用。本文主要从软件、硬件出发，介绍一种基于DSP和以太网的数据采集处理系统的设计思路及实现。 

1 基于以太网的数据采集处理系统

由于生产和科研领域对测试的要求越来越高，所需测试和处理的数据量也越来越大，可能需要多个测试仪器同时进行处理，也可能需要在各测试仪器之间进行数据交换；而且，有些时候不适合工作人员亲临现场，这时就需要进行网络控制。以太网技术在数据采集处理系统中的应用如图1所示。


　　 
和现在使用于工业现场比较多的现场总线比较，以太网最大的特点是开发性好、成本低。通过把复杂的TCP／IP协议封装而提供的各种网络测试技术，使得网络测试的开发变得不再复杂；同时，网络测试带来的巨大效益，使得网络测试在测试自动化领域能够得到广泛的应用。以太网作为分布式测试的一个网络方案，其潜力无疑是巨大的。 

以太网接口控制器和DSP微处理器的价格不断下降，使得以太网直接集成到基于DSP等嵌入式系统的测试、采集和工业I／O设备中成为一个越来越明显的趋势。基于以太网的I／O设备是将以太网接口直接嵌入到设备内部。所以一般来说，在网络进行数据采集时，可以有更小的设备体积，安装也更灵活。和一些现在使用于工业的其它通信方案比较，以太网方式通常需要更强大的微处理器和内存。而现在网络和计算机技术的发展，特别是DSP技术的应用，可以大大地降低这方面的成本。 


2 数据采集处理系统的硬件设计

该系统以TI公司的TMS320C6000(以下简称C6000)系列DSP中的TMS320C6211和10／100M自适应以太网控制芯片MX98728EC为核心，主要包括ADC数据采集、DSP数据处理和以太网接口三个部分。图2为数据采集处理系统框图。

　　


(1)C6000系列DSP

C6000是1997年美国TI公司推出的新一代高性能DSP芯片。这种芯片是属于定点、浮点兼容的D S P系列。其中定点系列是TMS320C62XX，浮点系列是TMS320C67XX。C6000片内有8个并行的处理单元，分为相同的两组。芯片的最高时钟频率可以达到300MHz，当芯片内部8个处理单元同时运行时，其最大处理能力可以达到2400MIPS。本数据采集处理系统采用TMS320C6211。

(2)以太网控制器MX98728EC

MX98728EC是一个通用的单片10／100M快速以太网控制器。通过它的主机总线接口，可以实现各种各样的应用，而不需要或者只需极少的外部控制逻辑。单片的解决方案可以减小电路板的尺寸和板上芯片的数量，以降低系统的成本。MX98728EC的特点如下：

◇ 32位通用异步总线结构，支持频率最高到33MHz；

◇ 单片解决方案，集成了10／100M TP收发器；

◇ 可选的外部收发器MII接口；

◇ 完全兼容IEEE 802.3u协议；

◇ 支持16／8位打包缓冲数据宽度和32／16位主机总线数据宽度；

◇ 分离的TX和RX FIFO，支持全双工模式，独立的TX和RX通道；

◇ 丰富的片上寄存器，以支持各种各样的网络管理功能；

◇ 支持16／8位的用于打包缓冲器的SRAM接口，支持片上FIFO的突发DMA模式；

◇ 自动设置网络速度和协议的NWAY功能；

◇ 可选的EEPROM 配置，支持1Kb和4Kb的EEPROM 接口；

◇ 支持软件EEPROM 接口，方便升级EEPROM的内容。

(3) 系统结构

①ADC数据采集部分。CPLDl由DSP提供时钟信号，主要作用是提供扫描表SRAM的地址。扫描表SRAM的数据由DSP写入。扫描表的数据输出对拟进行A／D转换的模拟通道进行选择和对仪表放大器进行增益选择。ADC采用14位的LTCl416。32路模拟信号通过多路复用器，选择其中1路信号，进入仪表放大器放大之后，进入ADC。ADC的转换时钟由DSP的定时器提供。

②DSP数据处理部分。ADC转换后的14位数据通过FIPO进入DSP进行处理。FIFO采用4片CY7C425形成乒乓结构，以实现模拟信号的不间断采样。DSP扩展一片Flash存储器，作为DSP的程序存储器。另外，还扩展了一片SRAM，作为程序缓存，脱机运行时，DSP将Flash中的程序写入SRAM，再写入DSP内部RAM。CPLD2主要是用于控制FIFO的读写，并且提供以太网接口部分的控制信号。DSP系统中的数字信号处理算法重点实现滤波、采样率变换、非线性修正和温漂修正等。 


③以太网接口部分。以太网主控芯片MX98728EC通过RJ45接口连接以太网，扩展一片SRAM作为以太网数据收发数据存储器。EEPROM存储以太网卡的MAC地址、I／O基地址、中断线选择等配置寄存器初始化数据。CPLD3通过DSP高位地址线的译码，控制以太网芯片的片选和提供以太网接口部分的复位信号等。DSP和以太网的接口部分硬件设计如图3所示。

　　 

3 数据采集处理系统的软件设计

C6000系列DSP芯片的硬件资源为高性能提供了必要条件，应该充分利用这些硬件资源及开发工具，使代码达到所期望的性能。在DSP嵌入式系统的基础上，集成已经封装的TCP／IP协议栈，增加网络连接代码，这是软件编程时应该着重考虑的问题。因为DSP系统硬件及以太网协议的复杂性，本系统中的软件编程是一个关键的难点。

本系统的软件设计过程中，采用了TI基于C6000系列DSP的实时操作系统DSP／BIOS和DSP／BIOS提供的实时数据交换功能RTDX(Real-Time-Data-eXchange)。DSP／BIOS针对DSP的应用环境，通过一系列的对象模块，向开发者提供了一个实用优秀的实时操作系统。它可以帮助用户提高软件的模块化、并行性和维护性等，有利于降低系统成本和缩短开发周期。运行于该操作系统之上的应用程序，在开发时间、软件维护和升级等方面都有了极大的提高。实时数据交换RTDX是DSP／BIOS提供的一个全新功能。在很多应用中，要求DSP从主机中实时地读取数据或者向主机实时地输出数据，而不能够停下来。 


因为本系统的软件结构较为复杂，涉及的算法较多，故应采用模块化、由顶向下、逐步细化的结构化程序设计方法。这一方法可节省软件工作量、提高工作效率。图4为简化的数据采集处理主程序流程图。

　　

结 语

实践证明，根据以上方案设计的基于DSP和以太网的数据采集处理系统，可以很好地实现对模拟信号进行采集和处理的功能。在此基础上，也可以作为基于DSP嵌入式系统和以太网的网络测试平台开发过程中重要的调试工具，从而加速把以太网集成到测试、采集和工业I／O仪器中的开发进程。