基于DSP的傅立葉變換光譜測量數據測控系統

（中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100）

基于DSP的傅立葉變換光譜測量數據測控系統

崔二蘭王靈莉王旭柱

（中國海洋大學信息科學與工程學院，山東 青島 266100）

本文主要介紹了一種基于 USB2．0與DSP的雙通道數據采集測控系統，該系統采用TMS320C6713B 作為核心處理芯片，CY7C68013A作為USB接口芯片。通過DSP內部的控制模塊控制A/D、D/A的數據轉換和USB的數據傳輸，并在DSP內部完成數據處理。在上位機平臺Labwindows（CVI）上實現系統復位、DSP程序HPI引導以及數據處理結果的顯示、存儲和處理。

USB2．0；DSP；傅立葉變換光譜儀

數據采集技術是數字信號處理中非常重要的環節，現如今數據采集已經被廣泛應用于各個領域。高速浮點型的DSP芯片恰好為高速度大吞吐量的數據采集系統提供了方便，使得系統能有較強的信號處理能力。RS232/RS485串行接口設計簡單、價格低廉，但其不支持熱插拔。USB2.0接口小巧靈活，支持即插即用，完善了多串口的開發，擴大了多串口卡的應用范圍。本文介紹了一種基于DSP和USB2.0的雙通道數據采集和實時處理系統，可廣泛應用于信號獲取、處理和分析系統中。

1 系統硬件結構設計

本系統主要包括三部分：數據采集部分、數據處理部分、結果顯示部分。本系統以高速C6000系列的DSP處理芯片TMS320C6713B為核心，既包含了模擬信號的輸入輸出，同時也有數字信號的輸入輸出電路。模擬信號的轉換由16位的ADS1605實現，多路信號的數據采集通過CPLD譯碼實現不同通道間的分時傳輸，DSP芯片處理后的數據由HPI接口傳輸到USB芯片，通過USB完成計算機和DSP之間數據的傳輸，實現信號處理結果的可視化。系統的總體框圖如圖1所示。

1.1 A/D轉換電路設計

圖 1 系統硬件總體框圖

很多應用系統中，測控對象是模擬量，DSP芯片只能處理數字量，因此必須進行數字量和模擬量之間的轉換。ADS1605是TI公司開發的高速、高精度的16位模數轉換器。其采樣速率為5MSPS，帶寬為2.45MHz，倍頻采樣（2X模式）時，數據采樣率能達到10MSPS。簡易的并行數字輸出數據接口可直接與數字信號處理器（DSPs）連接，方便用戶接口設計。ADS1605獨立的數字I/O電源設計使其可靈活地與其它邏輯芯片接口，其工作電壓為+2.7V～+5.25V。

1.2 D/A轉換電路設計

圖2 DA轉換電路

AD768是以電流方式輸出的超高速的16位數模轉換器，最高轉換速率為40MHZ，有良好的直流和交流性能。根據數據手冊的要求，滿足基準電流IREFIN在1mA到7mA之間，當IREFIN為5mA時，AD768工作在最佳狀態。AD768的輸出電流IOUTA與參考電流IREFIN的關系式為：IOUTA=（DACCODE/65536）*（IREFIN*4），其中DACCODE是16位數字輸入碼，在0-65536間變化，當IREFIN為5mA時，IOUTA即在0-20mA之間。參考輸出電壓REFOUT為2.5V，在引腳 REFOUT和REFCOM之間接0.1uF的電容可達到去耦的目的。因為AD768的輸出是電流型的，所以選擇 運放AD9631將電流轉化為電壓輸出，DA轉換電路原理圖如圖2所示。

1.3 USB接口電路設計

EZ-USB FX2芯片結構主要包括USB2.0收發器、串行接口引擎（SIE）、增 強 型8501、16KB的RAM、4KB的FIFO存儲器、I/O口、數據總線、地址總線和通用可編程接口（GPIF）。本方案采用GPIF模式，由軟件編程輸出讀寫時的控制波形。圖3說明了GPIF模式下FX2與外部功能部件之間的接口連接。

CYPRESS公司提供了波形編寫器GPIF Designer，方便了用戶編程。本方案使用CY7C68013A與DSP無縫連接，使用PB[7:0]和PD[7:0]作為16位數據總線連接HPI的HD[15:0]；PA2、PA3作為地址線選擇HPIC、HPIA和HPID寄存器。CTL0連接HR/W控制數據讀寫；CTL2連接HHWIL選擇字節；CTL1連接HDS2，HDS1、HAS固定接高電平，HCS接地，這樣在HPI模塊中共同產生HSTROBE信號來鎖存控制信號，進行數據傳輸。當CTL1由高電平變為低電平時HSTROBE產生下降沿，此時會初始化HPI的讀操作，同時鎖存HPI的控制信號包括HHWIL、HR/W和HCNTL[1:0]。CLT1由低電平變為高電平時HSTROBE會產生上升沿，此時會初始化HPI的寫操作，確定數據總線上的信號。RDY0連接HRDY，用來向主機插入等待狀態。INT0連接HINT用于主機中斷。

2 系統軟件程序設計

2.1 DSP信號處理程序設計

DSP程序主要是實現數據采集的功能，參考光在經過干涉儀以后進入過零比較電路，這樣參考信號就被轉化為方波信號，利用參考信號的過零時刻作為采樣點采樣被測信號。DSP只有一個EMIF接口，這樣就需要將兩路信號分時傳輸輸入DSP中。

2.2 USB程序設計

USB程序實現的功能包括初始化USB，在USB中端點6采用FIFO讀的方式讀取DSP內部RAM中的數據，端點2采用FIFO寫的方式向DSP內部RAM中寫入數據，在端點0中采用GPIF單字節寫的方式向HPIA寄存器和HPIC寄存器寫入數據。在固件編程框架[5]中包括一系列文件，其核心為以下內容：

圖3 GPIF模式下FX2與外部功能部件的接口連接

Fw.c文件為固件框架源文件，功能是實現對USB請求的處理和調用分配器中的函數。

Gpif.c為GPIF波形描述表，通過GPIF Designer軟件完成波形設計后生成，用來完成DSP與GPIF進行數據傳輸。

68013GPIF-to-6713-HPI.c為功能函數文件，含有用戶自定義函數、初始化函數TD_Init（）和功能函數TD_Poll（），功能包括GPIF初始化、GPIF寄存器的讀取、外部FIFO的操作和FIFO讀寫控制。在設計時需要向該文件中添加需要的代碼，而無需更改Fw.c文件。

2.3 CPLD邏輯時序控制

本方案主要利用CPLD可編程邏輯器件完成邏輯時序的控制，主要實現以下方面的任務：

（1）實現通道1與通道2的切換，通過地址譯碼分別選通兩通道ADC芯片的CE1、CE2片選信號。當AD的片選信號CE和RD均為低電平時，ADC輸出的16位數據總線將由高阻態變為有效數據。

（2）為了匹配DSP的EMIF接口采樣頻率，對40M晶振時鐘輸入分頻，為模數轉換提供8M的時鐘信號。

（3）通過CPLD的內部邏輯設計，實現對系統的軟件復位。

（4）不明確的邏輯端口輸入到CPLD，以防出錯。

2.4 Labwindows上位機程序設計

使用虛擬儀器Labwindows（CVI）作為開發平臺，完成對數據采集系統的控制，顯示并保存DSP芯片處理后得到的頻譜等波形圖。界面主要控件功能為：打開/關閉設備、復位DSP、DSP程序HPI引導、接收并顯示數據。打開設備要通過查找匹配的儀器句 柄”USB0::0x04B4::0x8613::NI-VISA-0::RAW”來實現。上位機界面控件圖如下圖所示。

圖4 上位機界面控件

結語

本文主要介紹了基于D SP的傅立葉變換光譜測量數據測控系統，以高速浮點型的TMS320C6713為核心處理芯片，以USB為接口芯片，通過CPLD來實現各部分模塊的邏輯時序控制，實現數據的采集、處理和可視化。該系統硬件設計清晰明了，操作簡單，性能穩定，方便實用，USB接口更加提高了傳輸效率。

[1]Texas Instruments Incorporated．TMS320C6713B Data Book[R]．Revised June，2006．

[2]劉向宇．DSP嵌入式常用模塊與綜合系統設計實例精講[M]．北京：電子工業出版社，2009，07．

[3]Texas Instruments． ADS1605 Data Book．2007，05．

[4]薛園園．USB應用開發技術大全[M]．北京∶人民郵電出版社，2007，08．

[5]薛園園，趙建領．USB應用開發寶典[M]．北京：人民郵電出版社，2011，03

TP31 < class="emphasis_bold"> 文獻標識碼：B

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