一种高速数据采集系统的设计与实现

　　1 引言

　　数据采集通常有两种解释：一种是指盘点机、掌上电脑等终端电脑设备；另外一种是指网络数据采集用的软件。数据采集系统包括了：可视化的报表定义、审核关系的定义、报表的审批和发布、数据填报、数据预处理、数据评审、综合查询统计等功能模块。通过信息采集网络化和数字化，扩大数据采集的覆盖范围，提高审核工作的全面性、及时性和准确性；终实现相关业务工作管理现代化、程序规范化、决策科学化，服务网络化。

　　我国目前中小容量机组（200MW及以下）在火电厂中占相当大的比例，这些机组的监控模式为模拟控制系统加以常规仪表为主的数据采集系统。这种监控模式存在着检修维护工作量大、没有可靠的历史记录等缺点。而且常规模拟仪表也进入老化淘汰期，设备可靠性明显降低，某些仪表的备品备件也得不到保障，因此中小型机组监控系统的技术改造工作已势在必行。结合我国国情，借鉴国内类似系统的研制经验，开发出一套经济实用的FDC-Ⅱ型分布式发电厂运行实时数据监测系统，既可用于中小机组技术改造，又可应用于变电站、供电局等电力生产、管理部门。该系统目前已在山东省某150MW火力发电厂投入实际运行。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 系统整体结构设计

　　该高速数据采集系统选用TI公司的TMS320C6713型DSP作为控制器，内核采用超长指令字（VLIW）体系结构，8个功能单元共用32个32位通用寄存器。多可在一个周期内同时执行8条32位指令，提高程序执行速度；具有32位外部存储器接口（EMIF），寻址空间可达52 MB；可与SDRAM、SBRAM实现无缝连接，用于大容量高速存储：直接异步存储接口可与SRAM、EPROM连接，用于小容量数据存储和程序存储：具有16个独立的EDMA传输通道。

　　另外，TMS320C6713便于扩展存储器和I／O接口。其总线在片内不易受干扰，且应用体积小，容易采取屏蔽措施，故可工作在电磁干扰较强的环境下，可靠性高。TMS320C6713采用增强型哈佛结构，可以完成并行指令操作。

　　以TMS320C6713为的数据采集系统的整体结构如图1所示。该系统内部数据总线为32位，连接A/D转换器、DSP、通信接口以及数据Flash的数据线。DSP的地址总线经CPLD泽码，实现对A/D转换器、通信接口、数据Flash等器件的片选信号。

　　2.2 A/D转换器模块设计

　　模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器重要的参数是转换的，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。

　　A/D转换器模块选用MAX1420。MAX1420是ADI公司推出的12位A／D转换器，其转换速率是60 Ms/s，电源电压是3.3 V，允许输入信号范围是-1.024～+1.024 V，功耗218 mW。系统由DSP向MAX1420发送指令，控制A/D转换时序。MAX1420的数据线与系统总线相连。MAX1420的地址线与控制线由DSP发出指令并经CPLD译码，实现该器件的片选（CS）控制；MAX1420工作时CS保持低电平。A／D转换器硬件电路如图2所示。

　　另外，系统若要实现时分采集多路数据，为简化系统设计，只需在MAX1420前端加载多路模拟开关。使用AD7503就可实现8路模拟开关，从而实现多路数据采集。

　　2.3 通信接口模块设计

　　本系统的通信接口有标准RS232和USB2.0两种接口。由于TMS320C6713片上有标准同步串行接口，若与外部同步串行通信，只需采用MAX3232完成TTL电平与EIA电平的转换。若采用异步串行接口。则可采用TL16C550实现该功能。这里采用FT245BM器件完成USB2.0接口，该器件主要功能是进行USB与并行I／O口之间的协议转换。一方面可从主机通过USB接口接收数据，并将其转换为并行I/O口的数据流格式发送给外设；另一方面外设可通过并行I/O接口将数据转换为USB的数据格式传输至主机。中间的并行I／O接口与USB的协议转换全部南该器件自动完成。

　　FT245BM内部主要由USB收发器、串行接口引擎（SIE）、USB协议引擎和先进先出（FIFO）控制器等构成。USB收发器提供USB2.0的全速物理接口到USB总线，支持UHCI／OHCI主控制器；串行接口引擎实现USB数据的串／并双向转换，并遵循USB规范完成USB数据流的位填充／位反填充，以及循环冗余校验码（CRC5／CRC16）的产生和检错；USB协议引擎管理来自USB设备控制端口的数据流；FIFO控制器处理外部接口和收发缓冲区间的数据转换。

　　FIFO控制器实现与DSP主机的接口，主要通过8根数据线D0～D7及读写控制线实现与DSP的数据交互。FT245BM内含2个FIFO数据缓冲区：128 B接收缓冲区和384 B发送缓冲区，用于缓存USB数据与并行I／O口数据交换。另外，FT245BM还内置3.3 V稳压器，6 MHz振荡器、8倍频的时钟倍频器、USB锁相环和EEPROM接口。FT245BM的8位数据线与系统总线的低8位相连，其时序由DSP的控制总线控制，图3为其外围电路。

　　2.4 数据存储模块设计

　　为了避免系统所采集的数据因意外断电或通信故障而丢失，设计相应的数据存储模块。这里选用SAMSUNG公司的K9F1G16Q0M型Flash存储器，片上容量为1Gb，具有16位地址总线，将其与数据总线相连，并与数据线的低8位复用。64 MB存储空间需要16位地址总线，这就需要在使用时按照时序要求将地址用系统数据总线分2次写入。相应接口电路如图4所示。

　　3 系统软件设计

　　该系统以DSP为中央控制器，实现A/D采样、数据存储、与上位机通信等功能。由于DSP的选型，故软件开发平台是针对TMS320系列DSP的集成开发环境CCS（Code Composer Studio）。采集系统处于循环采样状态，根据被采样信号特点选择合适采样速率。对于较大数据，DSP采用压缩技术，以节约内存空间。完成一组数据的采集后，将数据通过USB2.0接口传送给上位机，并有选择地在系统的Flash中备份数据。图5为该系统主程序流程。

　　4 测试结果分析

　　经测试，以MAX1420与TMS320C6713为的数据采集系统，以50~60 Ms／s的采样速率可稳定工作，并实时备份数据。由于采用USB接口，可方便将采集数据上传至上位机，且上位机软件开发方便，也可在Windows XP平台下直接读取。该系统采用DSP控制，除完成数据采集外，还可实时信号处理数据。在测试中，系统实时采集数据进行滤波和频谱分析等算法处理。

　　5 结束语

　　以高速A／D转换器与DSP为，设计开放式高速数据采集系统。该系统在采集过程采用中断触发方式，速度达60 Ms／s。可高速实时采集有关图像、声音等物理量。该系统设计不仅开放、高速、高，而且体积小、低功耗、可靠性高，因此还可用于其他便携式采集设备。由于系统采用DSP为控制器，具有强大的数字信号处理功能，可通过编程设置实现系统数字信号处理功能，而无需增加新硬件。