基于DSP、CPLD和单片机的高速数据采集装置设计

上传者：孟宪虎
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基于DSP、CPLD和单片机的高速数据采集装置设计

第２７卷第５期

电力自动化设备

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

Ｖ０１．２７Ｎｏ．５

Ｍａｖ２００７

＠２００７年５月

基于ＤＳＰ、ＣＰＬＤ和单片机的高速

数据采集装置设计

严志强，王

雨，任开春，刘浏，王永民

（重庆通信学院电力工程系，重庆４０００３５）

摘要：为满足数据采集过程中对频率和分辨率等技术指标方面上的更高要求，设计了一种高速数

据采集装置。该装置利用２片Ａ／Ｄ芯片将输入的电压、电流模拟信号转换为数字信号，送往复杂可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）．并利用２组ＲＡＭ进行实时存储数据。ＣＰＬＤ产生Ａ／Ｄ芯片的控制时序，以及２组ＲＡＭ的读写控制时序：数字信号处理芯片（ＤＳＰ）输出控制Ａ／Ｄ转换的原始信号，并通过ＣＰＬＤ读写ＲＡＭ中的采样数据．然后传送给单片机。最后利用单片机的ＵＳＢ接口将采集数据传送给ＰＣ机。分析了高速ＤＳＰ的引导装载过程．并利用单片机实现了ＤＳＰ程序的引导装载功能。通过在模拟雷击实验和继电器实验中的应用．表明该装置能够提供高速的数据采集和数据传送功能．性能可靠。

关键词：数据采集；ＤＳＰ；ＣＰＬＤ；单片机中图分类号：ＴＮ９１１．７２

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００６—６０４７（２００７）０５—０１１０一０４通道约为２２２ｍＷ。该器件在７０ＭＨｚ时的信噪比（ＳＮＲ）为７３ｄＢ。无寄生动态范围（ＳＦＤＲ）为８５ｄＢ；在高达１４０ＭＨｚ时．ＳＮＲ和ＳＦＤＲ分别为７２．６ｄＢ和

８０ｄＢ。ＬＴＣ

随着技术的发展．人们对电力自动化设备数据采集的频率和分辨率等技术指标提出了更高的要求。为此，设计了一种高速数据采集装置。

２２９９采用９ｍｍ×９ｍｍ的６４引脚ＱＦＮ

１硬件系统组成

系统的硬件组成如图１所示。

封装。

使用高速Ａ／Ｄ转换芯片的难点是产生合理的控制时序。ＬＴＣ２２９９有２种输出模式，一种是复用模式（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｍｏｄｅ），另一种是非复用模式ｂｕｓ）。采用复用模式时的控制时序

如图２（ａ）所示．采用非复用模式时的控制时序如图

（ｓｅｐａｒａｔｅ

ｄａｔａ

２（ｂ）所示。

在设计的高速采集系统中．为节约ＣＰＬＤ的端

图１系统的硬件结构

Ｆｉｇ．１

Ｈａｒｄｗａｒｅ

ｓｔｍｃｔｕｒｅｏｆｄｅｖｉｃｅ

口。采用复用模式控制时序。控制时序是由ＣＰＬＤ产生的．

３

系统将电压和电流模拟信号进行调理后．分别由２片Ａ／Ｄ芯片转换为数字信号．送往复杂可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）．并利用２组ＲＡＭ实时存储采集数据。ＣＰＬＤ产生Ａ／Ｄ芯片的控制时序．以及２组ＲＡＭ的读写控制时序。数字信号处理芯片（ＤＳＰ）ｍｍ］输出控制Ａ／Ｄ转换的原始信号．并通过ＣＰＬＤ读写ＲＡＭ中的采样数据．然后传送给单片机．最后利用单片机的ＵＳＢ接口将采集数据传送给ＰＣ机。单片机还

高速异步静态ＲＡＭ——ＩＳ６１ＬＶ５１２１６

系统的ＲＡＭ采用ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｉｌｉｅｏｎＳ０１ｕｔｉｏｎ公司的ＩＳ６ｌＬＶ５１２１６。它是５１２Ｋ×１６ｂｉｔ高速异步静态

ＲＡＭ。在所设计的高速采集系统中．将ＩＳ６１ＬＶ５１２１６分为２组．分别存储电压和电流采集信号．每组由４片ＩＳ６１ＬＶ５１２１６构成．因此存储深度为４Ｍ×１６ｂｉｔ。

５１２１６的写控制时序如图３所示．读控

制时序如图４所示。在该采集系统中．ＩＳ６１ＬＶ５１２１６

ＩＳ６１ＬＶ

需完成对ＤＳＰ的引导与程序装载任务。

２低功耗高速双通道ＡＤＣ——ＬＴＣ

２２９９

的读写控制时序由ＣＰＬＤ产生。

４

ＩＳＰＭＡＣＨＬＣ４２５６Ｖ

ＬＴＣ２２９９是ＬｉｎｅａｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司新推出的

双通道高速ＡＤＣ，其分辨率为１４位，最高采样频率为８０ＭＳＰＳ，输入模拟电压范围为１Ｖ（ＶＭ）或者

２

ＩＳＰＭＡＣＨＬＣ４２５６Ｖ有４种封装类型：１００ＴＱＦＰ、

１４４

Ｖ（ＶＰ＿Ｐ），采用３Ｖ工作电源，功耗仅为４４５ｍＷ，每

ＴＱＦＰ、１７６ＴＱＦＰ、２５６ｆｐＢＧＡ，根据系统的需要，

收稿日期：２００６一０７—２０：修回日期：２００７—０２—１０

这里选择了１７６ＴＱＦＰ封装形式，它包括２５６个宏模块、１２８个通用管脚和４个备用引脚，最高工作频率

万方数据　

为３２２ＭＨｚ．工作电源为３．３

Ｖ。

在所设计的高速采集系统中。利用ＩＳＰＭＡＣＨＬＣ

４２５６Ｖ完成的主要功能包括：

ａ．产生如图２（ａ）所示的控制时序，为复用模式下的高速Ａ／Ｄ芯片ＬＴＣ２２９９提供控制脉冲．并将采样数据读入ＣＰＬＤ中：

ｂ．产生如图３所示的写控制时序，为ＩＳ６ｌＬＶ

５１２１６提供写控制脉冲，并将采样数据写入其中：

ｃ．产生如图４所示的读控制时序。为ＩＳ６１ＬＶ５１２１６提供读控制脉冲．并将ＳＲＡＭ中存储的采样数据读入ＣＰＬＤ中．

读入ＣＰＬＤ中的采样数据被ＤＳＰ取走．再通过

ＤＳＰ的ＨＰＩ口传送给单片机．最后由单片机的ＵＳＢ接口送往ＰＣ机，完成数据采集、存储、传送的全过程。

Ａ

模拟输入

Ｂ

ＤＯＡ—Ｄ１３Ａ．０ＦＡ

ＤＯＢ—Ｄ１３Ｂ．ＯＦＢ

模拟输入

／，

芦弋．／籴．／余．／

（ａ）复用模式时的控制时序

。ｈ山￡Ｌ里＋１

Ｎ＋３

Ｎ＋５

／‘Ｕ—÷

卜如

ＵＵ＿＼／—、厂—、

）｜（

Ｎ一６

Ｘ

Ｎ一５

Ｘ

Ｎ一４

Ｘ

Ｎ一３

Ｘ

Ｎ一２

Ｘ

Ｎ一１

（ｂ）非复用模式时的控制时序图２ＬＴＣ２２９９的控制时序

Ｆｉｇ．２Ｃｏｎｔｍｌｔｉｍｉｎｇ

ｏｆＬＴＣ２２９９

ＡＤＤＲＥＳＳ

０ＥＣＥ

ＷＥ

ＵＢ．ＬＢ

ＤＯＵＴ

ＤＩＮ

图３ＩＳ６１ＬＶ５１２１６的写控制时序

Ｆｉｇ．３

ＷＩｉｔｅ

ｃｙｃｌｅｔｉｍｉｎｇ

ｏｆＩＳ６１ＬＶ５１２１６

地址

—×．米

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有效数据

＞

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Ｚ

图４ＩＳ６１ＬＶ５１２１６的读控制时序

万　

方数据Ｆｉｇ．４

Ｒｅａｄ

ｃｙｃｌｅｔｉｍｉｎｇ

ｏｆ

ＩＳ６ｌＬＶ５１２１６

电力自动化设备

第２７卷

采用引导装载的方式，将程序装入ＤＡＲＡＭ，以降低

５

ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２

ＤＳＰ

系统的设计成本、缩短产品开发周期。所设计的高

速采集系统正是采用了这种方式。

Ｃ５４０２包含４Ｋ×１６ｂｉｔ片内ＲＯＭ（Ｆ０００Ｈ—ＦＦＦＦＨ）。而Ｂｏｏｄｏａｄｅｒ程序就是其中一部分。在启动Ｃ５４０２时．Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ能自动将存放在外部载体的程序引导

在所设计的高速采集系统中．采用ＤＳＰ产生控制Ａ／Ｄ转换的原始脉冲．并对高速采集数据进行预处理与分析．进而对采集数据的存储进行相应的控制。由于Ａ／Ｄ转换的速度高．数据流量大．采用单片机已经远远不能满足要求．为此．笔者选用了ＴＩ公司推出的１６ｂｉｔ定点ＤＳＰＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下简称Ｃ５４０２）。Ｃ５４０２芯片内包含有１６Ｋ×１６ｂｉｔ双口ＲＡＭ（ＤＡＲＡＭ）。ＤＡＲＡＭ分成２个８Ｋ×１６ｂｉｔ块．在１个机器周期内可以对每个块进行２次读或１次读和１次写。如果程序容量不超过１６Ｋ．则可

装载到程序存储器的任何空间或片内ＤＡＲＡＭ。

Ｃ５４０２引导模式包括ＨＰＩ引导、串行ＥＥＰＲＯＭ引导、并行引导、标准串口引导、ＵＡＲＴ引导、Ｉ／０引导等模式。这些模式的选择过程如图５所示。

在该高速采集系统中．采用ＨＰＩ引导模式。具

体的控制时序由单片机完成。

图５Ｃ

５４０２引导流程图

ｏｆｂｏｏｔｌｏａｄｏｆ

Ｃ５４０２

Ｆｉｇ．５Ｆｌｏｗｃｈａｎ

６

带ＵＳＢ接口的单片机Ｃ８０５１Ｆ３２０

ＵＳＢ接口作为外设的通用串行总线接口．具有

其ｕｓＢ接口将数据快速传送给Ｐｃ机。

ＵＳＢ部分的软件设计分为上位机软件和下位机

软件２个部分。上位机软件利用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０完

其他接口无法比拟的优势：支持热插拔。是真正的即插即用设备；数据传输速度快，支持双向、同步传输等。目前．ＵＳＢ控制器主要有２种：一种是带ＭＣＵ的ＵＳＢ接口．另一种是单纯的ＵＳＢ接口。选用了Ｃｖｇｎａｌ公司的带ＭＣＵ的ＵＳＢ接口芯片Ｃ８０５１Ｆ３２０（以下简称Ｆ３２０）。

Ｆ３２０采用３２一ｐｉｎＬＱＦＰ封装，支持１２Ｍｂｉｔ／ｓ的全速传输或１．５Ｍｂｉｔ／ｓ的低速传输．提供８个端点．还集成有ｌＫＢ的ＵＳＢＳＲＡＭ和ＵＳＢ收发器．内置

１６

成。下位机软件主要是ＵＳＢ外设端的固件（ｆｉ瑚ｗａｒｅ）

程序，借助于Ｃｖｇｎａｌ公司提供的集成开发环境编写。固件程序负责处理ＰＣ机发来的各种ＵＳＢ请

求，以完成它们之间数据的批量传输。７应用

目前．该装置已应用于模拟雷击实验和继电器实验中，对数据进行高速采集并实时地传送给ＰＣ机。

ＫＢ的Ｆｌａｓｈ存储器和２５６Ｂ的ＲＡＭ。Ｆ３２０片

在模拟雷击实验．用模拟雷击设备产生模拟雷。

对电力线路进行雷击试验．然后利用该高速采集设

上资源还包括２５个Ｉ／０口、ＳＰＩ、ＵＡＲＴ、ＳＭＢｕｓ。

在该高速采集系统中。利用Ｆ３２０的通用Ｉ／０口完成对Ｃ

５４０２

备对线路上的电压和电流进行实时采集．采样频率选

取５０ＭＳＰＳ。由于存储深度为４

Ｍ×１６

ＨＰＩ口的控制：当系统启动时．将

ｂｉｔ．因此．每次

Ｃ５４０２程序引导装载到ＤＡＲＡＭ中：在完成一次数据

采集持续的时间是８０ｍｓ。每次采集完成后．将数据传送到ＰＣ机。通过对数据的分析．可发现：在模拟雷击的初期．线路上产生了雷击尖峰冲击波．而在后

采集后．用ＩＳＰＭＡＣＨＬＣ４２５６Ｖ将ＩＳ６１ＬＶ５１２１６中的数据读人Ｃ５４０２中．然后传送给Ｆ３２０．最后利用

万方数据　

第５期严志强，等：基于ＤｓＰ、ｃＰＬＤ和单片机的高速数据采集装置设计＠期拖尾时间较长：如果采集频率在５ＭＳＰＳ以下，将ＨＥｘｉｕ—ｎＩ，ＣＨＥＮＧＹｕａｎ—ｃｈｕ，Ｇｕ０ｚｈｉ—ｊｕｎ．Ａｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ丢失初期的尖峰冲击波。ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｈｙｄｒｏ—ｅｌｅｃｍｃｐｏｗｅｒｕｎ“ｂａｓｅｄｏｎ

在继电器实验中．利用Ｆ３２０的Ｉ／Ｏ口对继电器ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００５，２１

（１２）：３０－３２．

和数据采集过程进行控制。在对继电器进行操作『７］张菊，张淑娥．基于ＤＳＰ的数据采集与处理系统的设计［Ｊ］．时．提前适当的时间启动采集装置开始采集数据，直电力系统通信．２００６。２７（１）：７０—７３．

到数据采集完成．最后将采集数据传送给ＰＣ机。在ＺＨＡＮＧＪｕ，ＺＨＡＮＧＳｈｕ—ｅ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｄａｔａａｃｑｕｉｒｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ实验中．选取的采样频率为１０ＭＳＰＳ．由于存储深度为ｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ［Ｊ］．ＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＥｌｅｃｔｍｎｉｃ

ｂｉｔ．因此．每次采集持续时间是４００Ｐｏｗｅｒ

４Ｓｙｓｔｅｍ，２００６，２７（１）：７０—７３．

Ｍ×１６ｍｓ。『８］陶锐，周学军，李伟．基于ＤＳＰ的高精度数据采集与处理系统［Ｊ］．

实验表明．该采集能满足模拟雷击实验和继电国外电子元器件．２００５（１）：４０—４３．

器实验等场合的需要．能提供高速的数据采集和数ＴＡ０Ｒｕｉ，ｚＨ０ｕｘｕｅ—ｊｕｎ，ＬＩＷｅｉ．Ｈｉｇｈ—ａｃｃｕｍｃｙｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ据传送功能．具有较好的应用前景。ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ［Ｊ］．ＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌＥ１ｅｃｔｍｎｉｃ

ＥＩｅｍｅｎｔｓ，２００５（１）：４０－４３．

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ＷＵＹｉｎ—ｑｉｎ，ＷＡＮＧＭｉｎ，ＵＷａｎ—ｐｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ

ｏｆＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０ｂａｓｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌｏｆ作者简介：

Ｓｏｕｔｈ—ＣｅｎｔｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌｉｔｉｅｓ：ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ，严志强（１９７３一），男，重庆人，讲师，硕士，从事自动控制２００５，２４（４）：６１—６３．方面的工作（Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｚｑｌ２３＠１２６．ｃｏｍ）；

［５］刘洋，铁勇，李树华．基于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０的双路声信号数据采王雨（１９６６一），男，重庆人，副教授，从事通信工程方面

集系统的设计『Ｊ１．内蒙古大学学报：自然科学版，２００６，３７（６）：的工作：

６７２．６７５．任开春（１９７０一），男，重庆人，副教授，博士，从事电力电ＬＩＵＹａｎｇ，ＴＩＥＹｏｎｇ，ＵＳｈｕ—ｈｕａ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｄｏｕｂｌｅ－ｃｈａｎｎｅｌ子方面的工作（Ｅ－ｍａｉｌ：ｒｅｎ６５５５１２１０＠１２６．ｃｏｍ）；ａｃｏｕｓｔｉｃｓｉｇｌｌａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０

［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｍｍＮａｔｕ珀ｌｉｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔａｔｉｓＮｅｉｍｏｎｇｏｌ，２００６，刘浏（１９７２一），男，重庆人，硕士，从事通信工程方面的

３７（６）：６７２—６７５．工作：

『６］贺秀儒，程远楚，郭智俊．基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＤＳＰ芯片的水电机王永民（１９７９一），男，山东临朐人，硕士研究生，从事电力

组高速数据采集系统［Ｊ］．微型电脑应用，２００５，２ｌ（１２）：３０—３２．电子方面的研究。

Ｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｓａｍｐｌｉｎｇｄｅ订ｃｅｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ，ＣＰＬＤａｎｄＳＣＭ

ＹＡＮＺｈｉ．ｑｉａｎｇ。ＷＡＮＧＹｕ，ＲＥＮＫａｉ—ｃｈｕｎ，ＬＩＵＬｉｕ，ＷＡＮＧＹｏｎｇ—ｍｉｎ

（ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３５，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｉｇｎａｌｓａｍｐｌｉｎｇｄｅｖｉｃｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｈｉｇｈｅｒｆ琵ｑｕｅｎｃｙａｎｄＩ．ｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．ＴｈｅａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｓｏｆｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕⅡｅｎｔａｒｅｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｔ、ｖｏＡ／Ｄｃｈｉｐｓ，ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏＣＰＬＤ（ＣｏｍｐｌｅｘＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＩＪｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ），ａｎｄｓｔｏｒｅｄｉｎｔｗｏＲＡＭｃｈｉｐｓ．ＣＰＬＤｉｓｓｕｅｓｔｈｅｃｏｎｔｍｌｔｉｍｉｎｇｓｆｏｒＡ／ＤｃｈｉｐｓａｎｄＲＡＭｃｈｉｐｓ．ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）ｏｕｔＤｕｔｓｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｓｉｇｎａｌｓｔｏｃｏｎｔｒｏｌＡ／Ｄｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｒｅａｄｓａｎｄｗｒｉｔｅｓｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｄａｔａｉｎＲＡＭｖｉａＣＰＬＤ，ｔｈｅｎｔｒａｎｓｆｅｒｓｔｈｅｍｔｏＳＣＭ（ＳｉｎｇｌｅＣｈｉｐＭｉｃｖｏｃｏ），ｗｈｉｃｈｔｍｎｓｆｅｒｓｔｈｅｓａｍｐｌｅｄｄａｔａｔｏＰＣＶｉａＵＳＢｐｏｎ．ＴｈｅｂｏｏｔｌｏａｄｐｒｏｇｒａｍｏｆＤＳＰｉｓｂｏｏｔｌｏａｄｅｄｂｖＳＣＭａｎｄｔｈｅｄｅｔａｉｌｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｈｕｎｄｅｒ—ｓｔｒｉｋｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅｌａｙｓｈｏｗｉｔｓｅｆｋｃｔｉＶｅｎｅｓｓａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙ万　ｗＯｒｄｓ：ｄａｔａ—ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＤＳＰ；ＣＰＬＤ；ＳＣＭ方数据

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基于DSP、CPLD和单片机的高速数据采集装置设计

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：严志强，王雨，任开春，刘浏，王永民， YAN Zhi-qiang， WANG Yu， REN Kai-chun， LIU Liu， WANG Yong-min重庆通信学院,电力工程系,重庆,400035电力自动化设备ELECTRIC POWER AUTOMATION EQUIPMENT2007,27(5)8次

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