利用DSP和CPLD增加数据采集的可扩展性

在ＩＣ卡公用电话系统中，在线式公用电话由于其具有保密性高、可扩展性强等特点，已逐渐获得人们的青睐。这种公用电话系统被置于终端和交换机之间，对两者的信号进行调制、解调以及其它的运算，来完成诸如卡验证、终端维护、多媒体信号传输等工作。与软件无线电相类似，这种系统的硬件平台通用性很强，数字信号处理的算法将由专门的芯片来承担，所以这种系统可以兼容目前在电话线上应用的各种调制解调方法，也可以适应未来出现的其它调制解调标准。
由此可以看出，要实现这样一个系统，数据采集是一个非常重要的方面。为了节约成本和提高ＤＳＰ芯片的利用率，在这个系统中，一片ＤＳＰ要承担１６个通道的运算。从数据采集的角度来说，由于通道同时对应着终端和交换机两端，故ＤＳＰ需要高速采集３２个通道的数据。另外，高速ＡＤＣ的出现和ＤＳＰ性能的不断提高也对系统将来的升级提出了要求。所以对数据采集部分来说，高速、可扩展性是两个非常重要的指标。实现的系统就是以这两个指标为指导的。

目前的高速多通道数据采集系统一般有以下几种实现方法：一是直接采用高速的多通道模／数转换芯片，这些芯片有专门设计的与ＤＳＰ接口的部分，但是这些芯片一般价格都非常昂贵；二是直接用ＦＰＧＡ完成整个的采集过程，这将耗费ＦＰＧＡ巨大的资源；三是ＤＳＰ和模／数转换芯片的地址以及数据总线直接相接，通过单片机控制转换等过程，这种方法虽然便宜，但是可扩展性太差。综上所述，提出一种通过ＣＰＬＤ实现接口，将模拟转换通道映射到ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ设备空间甚至内存空间的方法。这种方法大大提高了ＤＳＰ可以访问的外设数目；同时由于ＤＳＰ不直接与模／数转换模块接口，所以ＡＤＣ芯片的升级或者替代都不会影响原来的数据采集；而且采用了时分复用方式读取转换完成的数据，因此这个系统数据采集速率可以达到所采用的ＡＤＣ芯片输出的速率。
ＤＳＰ虽然在算法处理上功能很强大，但其控制功能是非常弱的；而ＣＰＬＤ本身并不具有内部寄存器，虽然可以用ＣＰＬＤ的逻辑块来实现寄存器，但是这将耗费大量的ＣＰＬＤ资源。然而，ＣＰＬＤ的强项在于时序和逻辑控制。本文介绍的多路数据采集系统就是充分利用了ＤＳＰ和ＣＰＬＤ的优点，将多个Ａ／Ｄ转换单元通过ＣＰＬＤ映射到ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ地址空间，利用ＣＰＬＤ屏蔽Ａ／Ｄ转换的初始化以及读写操作过程，使得ＤＳＰ可以透过ＣＰＬＤ这?quot;黑匣子"快速、准确地获取数据。

１ 数据采集系统框架

整个数据采集系统主要由ＤＳＰ处理模块、ＣＰＬＤ接口模块和ＡＤＣ阵列三个部分组成，如图１所示。透过这样一个结构，ＤＳＰ可以在未知ＡＤＣ的控制方式的情况下，定时地以访问外设的方式来获得总共３２个通道的模／数转换后的数据。

这样的系统框图只是完成了一个完整的数据采集功能，至于数据的处理以及ＤＳＰ需要完成的其它功能，此图并未涉及。但对于一个ＤＳＰ系统来说，数据采集在硬件中占据了很大的比重，这也符合ＤＳＰ芯片应用的原则：用软件完成大部分的数字处理算法。

２ 各功能模块的实现

２．１ ＡＤＣ阵列的实现

此数据采集系统的设计目标是完成３２路信号的采样，并且要求每路的采样率为５０ｋＨｚ。所以，这样一个系统达到的整体采样率为３２×５０ｋ＝１．６ＭＨｚ。

在模／数转换环节，采用的Ａ／Ｄ芯片一片可以同时完成４路转换。为了达到设计目标，需要８片这样的芯片。但是，如果直接将８片模／数转换芯片的数据总线全部连接起来输入到ＣＰＬＤ中或者将ＣＰＬＤ出来的某条控制信号线直接连接到８片芯片上，那么在驱动上就会出现问题。基于此种考虑，此系统将８片芯片分成两组，每组４片，然后从ＣＰＬＤ中引出两组数据总线以及两组控制总线分别对它们实现控制。这样就能很好地解决芯片的驱动问题。图２就是其中一组芯片的连接架构图。

从这个架构图可以看出，这４片Ａ／Ｄ转换芯片除了片选控制信号以外，其它的数据总线以及控制总线全部是分别连在一起的。将片选控制与其它控制分开的原因在于：芯片的初始化以及转换过程需要同时完成，但是转换后数据的输出则分别完成。ＡＤＣ控制时序框图如图３所示。

要实现这样的控制时序，各个阶段对芯片的片选控制如下：在初始化阶段，所有Ａ／Ｄ芯片的片选信号有效，此时可以对每片芯片写入相同的模式选择信号，同时启动采样脉冲和转换脉冲；在转换阶段，所有片选信号全部无效，此时芯片本身在内部完成模／数转换，同时将转换完成的数据放置在芯片内部的寄存器中；在数据输出阶段，首先是片芯片的片选有效，此时若有一个脉冲下降沿到Ａ／Ｄ芯片的ＲＤ端口，则芯片１的转换完成，路数据将浮出到数据总线上，而其它芯片由于片选信号无效，虽然有ＲＤ输入也不会有数据输出，不会造成总线冲突。对于芯片１而言，接下来的几个ＲＤ脉冲可以分别使得转换完成后的几路数据浮现在数据总线上。芯片１的数据全部输出完成后，片选１无效，此时可使芯片２的片选信号有效。依此类推，就可以完成４片芯片的转换及数据输出。

２．２ ＣＰＬＤ接口模块的实现

整个ＣＰＬＤ接口模块实际上就是一片ＡＬＴＥＲＡ公司的７０００系列的ＣＰＬＤ（外部时钟电路除外），它控制ＡＤＣ模块的初始化，同时接收并分析ＤＳＰ过来的Ｉ／Ｏ端口读取信号，为ＤＳＰ和ＡＤＣ之间搭起一个通道。

在ＤＳＰ要求读取数据时，ＣＰＬＤ将ＤＳＰ过来的ＩＯＳＴＲＯＢＥ作为Ａ／Ｄ芯片的ＲＤ信号，同时对Ｉ／Ｏ地址总线的第３位至第５位译码产生Ａ／Ｄ芯片的片选信号，这样只要是地址按照每次递增１的方式读取数据，就可以使得８片Ａ／Ｄ分时片选有效，完全符合上面提到的读取数据的要求。另外，还依靠位地址确定ＣＰＬＤ到ＤＳＰ的数据输出总线是否定义成高阻态来避免总线冲突。
由于Ａ／Ｄ芯片是采用５Ｖ供电的，所以其输出高电平将高于ＤＳＰ输入高电平所能承受的范围。解决这个问题的方法之一是采用降压芯片（比如ＬＶＴ系列）用３．３Ｖ供电，３．３Ｖ供电可以承受５Ｖ的输入，同时输出也和３．３Ｖ兼容，但是这种方法需要单独外接几片ＬＶＴ芯片，占据宝贵的ＰＣＢ板空间；方法之二是给ＣＰＬＤ芯片提供双电源，其中提供给Ｉ／Ｏ脚的电源为３．３Ｖ，此时输入电压可以和５Ｖ及３．３Ｖ系统兼容，同时输出电压高电平可以达到３．３Ｖ，符合Ａ／Ｄ芯片高电平电压２．４Ｖ的要求。所以，数据总线通过ＣＰＬＤ到ＤＳＰ实际上是因为电平转换的需要。
２．３ ＤＳＰ处理模块
ＤＳＰ处理模块在硬件电路上是非常简单的，主要由一片ＤＳＰ芯片、一片ＥＥＰＲＯＭ以及一片介于这两者之间的用作电平转换的ＬＶＴ系列的芯片组成。

ＤＳＰ通过地址总线可以区分访问的模拟通道的标号。需要注意的是：由于采用的Ａ／Ｄ芯片是通过对ＲＤ脉冲信号计数来确定访问的是同一片芯片内部４路中的哪一路，所以实际上地址总线的低两位是没有选择功能的，对一片Ａ／Ｄ芯片访问时，两位地址一定要从００开始递增到１１，否则所读取的数据就是乱的。例如，转换完成后的ＤＳＰ若想越过前两个通道来获得第３个通道的数据，它必须给出两个读取Ｉ／Ｏ端口的指令，紧接着这两个指令后的读取端口指令才可以获得第３个通道的有效数据。

当然，可以通过ＣＰＬＤ首先将所有转换完成的数据缓存下来，然后分析Ｉ／Ｏ地址来将对应的通道的数据浮现到数据总线上。这样做使得ＤＳＰ可以自由地选择需要访问的通道，但需要比较大的缓存，利用ＣＰＬＤ作缓存是非常不经济的。

３ 仿真和调试

本系统的软件开发主要包括两部分，一是ＤＳＰ读取Ｉ／Ｏ口的程序，二是ＣＰＬＤ的时序控制程序。前一程序的开发采用的是ＴＩ公司的ＣＣＳ开发环境，并且利用ＤＳＰ内部的ＢＯＯＴＬＯＡＤＥＲ在起电时将存储在外挂ＥＰＲＯＭ中的程序装载进ＤＳＰ的程序空间。而后一程序的开发采用的是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸＰＬＵＳＩＩ，利用这个环境，完成了程序的编制、仿真以及时序分析，并在找出关键路径的基础上优化了整个芯片的内部延时。

在调试的过程中，利用ＤＳＰ提供的ＪＴＡＧ接口实时地观察采集进来的数据。当对３２路模拟通道分别提供不同频率的正弦信号时，可以看到相对应的通道的数字信号也按照固定的频率来变化，并且各个通路不存在串扰的情况。经过测试获得本系统的各种参数如下： 单路模拟信号采样率：５ｋＨｚ

系统模拟信号采样率：５０ｋＨｚ×３２＝１．６ＭＨｚ

单个采样点读取时间：８０ｎｓ（受ＡＤＣ芯片的限制）

ＤＳＰ（５４０２）单指令周期：１０ｎｓ

ＤＳＰ读取数据占用资源：((８０÷１０)×１．６×１０６)÷１０６
＝１２．８ｍｉｐｓ

ＣＰＬＤ使用Ｉ／Ｏ口： ４８

ＣＰＬＤ使用Ｌｏｇｉｃ ｃｅｌｌｓ：８０

由此说明这样一个系统达到１．６ＭＨｚ的采样率时工作是稳定可靠的。
本系统的设计思想和方法不仅适用于多路数据采集，而且能有效地扩展ＤＳＰ访问外设的能力。实践证明，这种系统在成本控制、可扩展性以及资源利用效率上都有非常大的提高。