基于dsp的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

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1、第一章緒論1.1課題研究的背景在高度發(fā)展的當(dāng)今社會中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過程的高度自動化已成為人所共知的必然趨勢，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎(chǔ)上。人們只有從外界獲取大量準(zhǔn)確、可靠的信息經(jīng)過一系列的科學(xué)分析、處理、加工與判斷，進(jìn)而認(rèn)識和掌握自然界與科學(xué)技術(shù)中的各種現(xiàn)象與其相關(guān)的變化規(guī)律，并通過相應(yīng)的系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究與生產(chǎn)過程的高度自動化。換言之，生產(chǎn)過程的自動化面臨的第一個問題就是必須根據(jù)從各種傳感器得到的數(shù)據(jù)來檢測、監(jiān)視現(xiàn)場，以保證現(xiàn)場設(shè)備的正常工作。所以對現(xiàn)場進(jìn)行

2、數(shù)據(jù)采集是重要的前期基礎(chǔ)工作，然后再對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和相應(yīng)的處理工作，以滿足不同的需要。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用極為廣泛的模擬量測量設(shè)備，其基本任務(wù)是把信號送入計算機(jī)或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理。它將模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再經(jīng)過計算機(jī)處理得出所需的數(shù)據(jù)。同時，還可以用計算機(jī)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、顯示和打印，以實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被用作生產(chǎn)過程中的反饋控制量。數(shù)據(jù)處理在整個科研工作中是個重要的必不可少的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作的質(zhì)量和速度如何，對整個科研工作的影

3、響也是很大的。因此研究一種質(zhì)量性能高的通用數(shù)據(jù)采集平臺具有很大的意義。從廣泛的意義上來講，數(shù)據(jù)采集與處理的主要包括以下幾個方面:(1)數(shù)據(jù)的采集:主要是解決非電量轉(zhuǎn)換為電量的問題以及多路復(fù)用、數(shù)據(jù)的模擬形式和數(shù)字形式之間的轉(zhuǎn)換問題。(2)數(shù)據(jù)的記錄:數(shù)據(jù)的存儲是非常重要的問題。(3)數(shù)據(jù)處理:包括預(yù)處理、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析等步驟。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性要求也愈來愈迫切。顯然，不論在哪個應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)處理越及時則經(jīng)濟(jì)效益就越大。例如在實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)中，必然要求對測量數(shù)據(jù)實(shí)時處理。又如在新型飛機(jī)試

4、飛中如能實(shí)現(xiàn)對某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時處理和監(jiān)測，就能在這些數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化時及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，以避免機(jī)毀人亡的重大事故發(fā)生?？梢?，實(shí)時處理數(shù)據(jù)意義是很大的。由于電子計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為提高數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性提供了廣闊的前景。2斷資源限制，可擴(kuò)展性差；在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場，無法專門對其做電磁屏蔽，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。而現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的發(fā)展要求數(shù)據(jù)采集卡具有更好的數(shù)據(jù)采集、處理能力，傳統(tǒng)的CPU已經(jīng)不能滿足這一要求。針對以上要求。1.2國內(nèi)外研究及開發(fā)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采集與處理一直是生產(chǎn)實(shí)踐研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一

5、個熱點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著微電子制造工藝水平的飛速提高及數(shù)據(jù)分析理論的進(jìn)一步完善與成熟，目前國內(nèi)外對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就A/D轉(zhuǎn)換的精度、速度和通道數(shù)來說，采樣通道從單通道發(fā)展到雙通道、多通道，采樣頻率、分辨率、精度逐步提高，為分析功能的加強(qiáng)提供了前提條件[2]。而在數(shù)據(jù)分析的微處理器上，最初的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以8位單片機(jī)為核心，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新興單片機(jī)的不斷問世，十六位、三十二位單片機(jī)也為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制廠家所采用，近來采用具有DSP功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也己投入市場。同時，通用PC

6、機(jī)的CPU用于數(shù)據(jù)處理也較為常見?？傊?，伴隨著高性能微處理器的采用和用戶技術(shù)要求的不斷提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能也越來越完善。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個趨勢：首先，在專業(yè)測控方面，基于PC計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)越來越成熟和智能化。在過去的二十年中，開放式架構(gòu)PC機(jī)的處理能力平均每十八個月就增強(qiáng)一倍為了充分利用處理器速度的發(fā)展，現(xiàn)代開放式測量平臺結(jié)合了高速總線接口，如PCI和PXI/CompactPCI，以便獲得性能的進(jìn)一步提升。計算機(jī)的性能提升和由此引起的基于計算機(jī)的測量技術(shù)的創(chuàng)新，正在持續(xù)不斷地模糊著傳統(tǒng)

7、儀器和基于計算機(jī)的測量儀器之間的界線。其次，在通用測控方面，采用嵌入式微處理器的方案也由早期的采用A/D器件和標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)組成應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展到在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集與分析，即目前極為熱門的SOC(SystemOnChip)[3]。通常在一塊芯片上會集成一個，可以采樣多路模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和一個硬CPU核(比如增強(qiáng)型80_52內(nèi)核)，而且其CPU的運(yùn)算處理速度和性能也較早期的標(biāo)準(zhǔn)CPU內(nèi)核提高了數(shù)倍，而且有著極低的功耗。這種單芯片解決方案降低了系統(tǒng)的成本和設(shè)計的復(fù)雜性。此外，為了解決SOC方案中數(shù)據(jù)處理性

8、能的不足，采用DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU的研究與應(yīng)用目前也逐漸引起業(yè)內(nèi)重視。但是這類產(chǎn)品目前僅僅處于發(fā)展的初級階段，在精度、速度或其它性能指標(biāo)上并不能很好的滿足要求。因此，國內(nèi)外以DSP作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣控制和分析運(yùn)算的研究與應(yīng)用正在展開。1.3本文主要內(nèi)容和章節(jié)安排本文完成了一種基于數(shù)字信號處理器、通用串行總線接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采樣與分