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基于DSP+FPGA+ADS1282支持32Bit高精度数据采集方案(一)
简介基于DSP+FPGA+ADS1282支持32Bit高精度数据采集方案(一)
3.1
系统需求分析
3.1.1
系统功能设计要求
本硬件处理平台的主要任务有三类,一是数据采集,包括采集惯性测量元件
的输出信号,接收外部系统校正信息,如
GPS
信息等;二是数据处理与计算,包
括惯性测量元件的误差补偿、初始对准、导航参数解算和在线校正滤波等;三是
导航数据输出,包括导航参数输出以及与主控设备信息交换等。
本硬件电路系统要实现的具体功能包括
(
1
)对三路加速度计模拟信号进行高精度模数转换;
(2)定时采集三路陀螺仪的数字量信号;
(3)定时采集一路
GPS
信号及其秒脉冲时基信号;
(4)定时采集一路气压计数字信号;
(5)定时采集两路里程脉冲信号;
(6)定时采集
5
路测温传感器数字信号;
(7)将所得到的信号进行导航解算处理以及将各种数据进行打包,分别经过
一路
CAN
接口、一路
RS232
接口和一路
RS422
接口输出。
3.1.2
系统性能设计要求
1
、输入电源为单路直流电压源,电压范围是
18V
~
36V
,最大电流
1A
。
2
、
AD
转换要求
(
1
)输入信号形式为
X
、
Y
、
Z
三路加速度计输出的模拟电流信号;
(2)输入范围
±8
mA
;
(3)线性度
<1.0×10
4
;
(4)对称性
<1.0×10
4
;
(5)数据分辨率不低于
24
位,实际测试精度不低于
18
位;
(6)加速度计模数转换电路带宽不低于
100Hz
。
3
、接收五路测温传感器的数字信号,信号更新率为每秒一次。
4
、输入信号接口形式
(
1
)七路总线输入
a.
三路异步串行总线
RS422
,波特率软件可设置,需光耦隔离,总线接收缓
冲区不小于
256
字节;
b.
两路异步串行总线
RS232
,波特率软件可设置,需光耦隔离,接收缓冲区
不小于
256
字节,分别用于接收
GPS
信号和气压计信号;
c.
一路异步串行总线
RS422
,波特率软件可设置,需光耦隔离,全双工工作
模式,用于接收信号和发送指令信息,总线接收缓冲区不小于
256
字节;
d.
预留一路异步串行总线
RS422
,波特率软件可设置,需光耦隔离,全双工
工作模式,总线接收缓冲区不小于
256
字节。
(2)两路里程计输入信号
里程计为方波信号,低电平最大为
1
V
高电平为
4.5
V
~
12
V
,信号频率不大于
10
KHz
,由板卡处理器对其进行计数。其中一路信号用作行车信号,高电平脉冲
累加,低电平不计数,另一路信号用作倒车信号,高电平脉冲递减,低电平不计
数。
5
、输出信号接口形式
(
1
) 一路
RS422
通用异步串行通讯接口,全双工传送,双端隔离,波特率
允许软件更改;
(2)一路
RS232
通用异步串行通讯接口,双端隔离,通讯波特率允许软件
更改;
(3)一路
CAN
通讯接口,满足标准
CAN
总线协议,允许软件对发送数据
的波特率进行控制,
FIFO
缓冲区大小不小于
64
字节。
3.2
系统总体设计概述
3.2.1
系统各模块概述
本系统要求包括丰富的外设接口和高精度的数据采集,同时还具备强大的数
据处理能力,以满足实际应用对精度和实时性的双重要求。
系统功能框图如图
3.1
所示,其主要的模块有
(
1
)电源模块。其主要作用是把外部输入的
18
V
~36
V
的电压源转换成系统
所需的各种电压,并对电源进行监控和管理;
(2)外设通信模块。主要作用是跟外部设备进行通信接口;
(3)模数转换模块。其主要作用是接收外设输入的三路电流信号,并对其进
行高精度的采集与转换,再把转换得到的数据发送给处理器,以便做进
一步的处理;
(4)板卡测温模块。其主要作用是测量板卡自身的温度,用于对板卡进行温
度补偿校正;
(5)数据处理模块。其主要作用是接收外设发送的信息,并对其做相应的处
理,然后把结果通过总线接口发送出去。它主要包含两个子模块即
FPGA
为核心的数字信号协处理器和
DSP
核心运算处理器。
3.2.2
处理器架构
实时信号处理系统中,低层的信号预处理算法处理的数据量大,对处理速度
要求高,但运算结构相对比较简单,适于用
FPGA
进行硬件实现。高层处理算法
所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻
址方式灵活、通信机制强大的
DSP
芯片来实现。采用
DSP+FPGA
的数字硬件系
统就可以把二者优点结合一起,兼顾速度和灵活性,既满足底层信号处理要求,
又满足高层信号处理要求
[21]
。
DSP+FPGA
系统最大的优点是结构灵活,具有较强
的通用性,适合于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时其开发周期较短,
系统容易维护和扩展,适合实时信号处理。
DSP+ FPGA
系统的核心由
DSP
芯片和
FPGA
芯片组成。另外还包括一些外
围的辅助电路,如存储器、先进先出(
FIFO
)器件及
FLASH
存储器等。
FPGA
电路与
DSP
相连,利用
DSP
处理器强大的
I/O
功能实现系统内部的通信。从
DSP
角度看,
FPGA
相当于它的协处理器,外部电路辅助核心电路进行工作。
DSP
和
FPGA
各自带有
RAM
,用于存放处理过程所需要的数据及中间结果。
FLASH
存
储器中存储了
DSP
执行程序和
FPGA
的配置数据。
FIFO
器件则用于实现信号处
理中常用到的一些操作,如延迟线、顺序存储等。
DSP
的外围电路主要是
FLASH
、存储器和
SRAM
,需要完成相应的电路设
计。它需要连接的连线主要包括
DSP
模式选择、时钟模式选择、
JTAG 接口和电
源等。
FPGA
外围电路主要包括用于配置的
PROM
、
FLASH
、模数转换和
FIFO
器件等。除了这些电路需要设计外还需设计的电路包括
FPGA
模式选择、全局时
钟、
JTAG
接口、输出
/
输入接口、测试口和电源等。
3.3
主要器件选型
3.3.1 DSP
选型
由于本系统需要进行大量的实时信号处理,所以
DSP
芯片必需具有强大的数
据运算能力,同时为了保证导航定位的精度,需要进行大量的浮点运算。
针对以上要求,本设计中的
DSP
选取美国德州仪器公司(
TI
)生产的
TMS320C6713GDPA
。
TMS320C6713
是
32
位浮点
DSP
,最高工作主频可达
300
MHz
,处理速度高达
2400MIPS
。如图
3.2
所示,该
DSP
使用
2
级缓存架构,第
一级是一个程序缓存(
L1P
)和一个高速数据缓存(
L1D
),容量都是
4KB
。第二
级是一个程序和数据共享的存储器,容量为
256KB
,其中的
64KB
可以配置成高
速缓存和寄存器,剩下的
192KB
可以配置成内部的静态存储器(
SRAM
)。片内
有丰富的外设资源,其中含有两个多声道音频串行接口(
McASP
)、两个多通道
缓冲串行接口(
McBSP
)、两组
I2C
总线、一组通用的输入
/
输出接口(
GPIO
)、
两个
32
位通用定时器和一个
16
位主机接口(
HPI
)。此外,
TMS320C6713
还有
32
位的外部并行总线接口(
EMIF
),分为
4
个存储空间(
CE0
~
CE3
),每个存储
空间的寻址范围为
256M
字节,可以访问
8
位、
16
位或
32
位数据宽度,每个空
间均可与
SDRAM
、
SBSRAM
及其它的异步外设实现无缝接口
[22]
。
TMS320C6713
主要特点是
[23]
:
(
1
)采用超长指令字(
VLIW
)结构,单指令字长为
32
位,指令包里有
8
个
指令,总字长达到
256
位。程序运行时通过专门的指令分配模块,可以将每个
256
位的指令包同时分配到
8
个处理单元,并由
8
个单元同时运行。
(2)采用二级缓冲处理,
4KByte
直接匹配的程序缓冲
L1P
,
4KByte
可匹配
的数据缓冲
L1D
,
256Kbyte L2
额外匹配内存。
32
位外部存储器接口,可无缝连
接
SRAM
、
EPROM
、
Flash
、
SBSRAM
和
SDRAM
。
(3)丰富的外设,包括
DMA
,
EDMA
,扩展总线,具有主机口和
I/O
端口
操作等功能,多通道缓冲串口,其通过配置能和多种串行通信接口通信,两个
32
位通用定时器等。
(4)内核有两套相同的运算核心,可以并行运行。
3.3.2 FPGA
选型
FPGA
是一种可由用户根据所设计的要求,在现场由自己配置和定义的高密
度专用数字集成电路,属于一种特殊的
ASIC
(专用集成电路)芯片。
FPGA
具有
寄存器资源丰富和容量大的优点,适合于实现数据密集型的系统,并且可以进行
SOPC
(可编程偏上系统)设计。
FPGA
主要优点包括
(
1
)
FPGA
的用户现场可编程的特性大大缩短了设计周期,使产品的上市时
间大大缩短,适合现代的市场竞争需求。
(2)芯片的规模越来越大,其单片逻辑门数量已达上千万门,能实现的功能
也越来越强。可以大大减少印刷电路板的空间和降低系统功耗。从而实现高可靠
性和高密度的系统集成。
(3)
FPGA
可以反复编程,重复使用,没有前期投资风险,且可以在开发系
统中直接进行系统仿真,所以可以极大地减少工艺实现的损耗。
Xilinx
公司是世界上最大的
FPGA
供应商之一。
Xilinx
的主流
FPGA
分为两
大类,一种侧重低成本应用,容量中等,性能可以满足一般的逻辑设计要求,如
Spartan
系列;还有一种侧重于高性能应用,容量大,性能能满足各类高端应用,
如
Virtex
系列。
Virtex-
Ⅱ
系列是
Xilinx
公司近几年研发的具有高性能、高速度和
低功耗特点的新一代
FPGA
。该系列
FPGA
基于
IP
核和专用模块设计,能够为电
信、无线电、网络、视频和数字信号处理领域的应用提供完整的解决方案。
本系统中
FPGA
主要用于逻辑控制和协处理,为了便于系统功能升级,经过
比较和筛选,本设计选取了
Xilinx
公 司
Virtex
系列的
FPGA
芯 片
XC2V1000-5FG256I
。该
FPGA
是
256
管脚
BGA
封装,可用的输入输出接口(
I/O
)
有
172
个,内核电压为
1.5
V
,
I/O
电压为
3.3
V
,工作温度范围是
-40°C
~
+100°C
,
系统门密度为
1M
,内嵌专用硬件乘法器,内嵌的
720Kbit
的块存储器(
BlockRAM
)
可以配置成
RAM
、
FIFO
和双口
RAM
,以及包含
8
个数字时钟管理模块(
Digital
Clock Manager DCM
)频率可高达
420MHz
[24]
。足够满足本采集系统的各项功能
设计要求和系统功能的扩展升级。
如图
3.3
所示,该
FPGA
芯片主要由六部分组成,包括:可编程输入输出单
元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入式块
RAM
、丰富的布线资源、
内嵌的底层功能单元和内嵌的专用硬件模块
[25]
。
3.3.3 ADC
选型
ADC
芯片的选择是关系到整个数据采集系统性能指标的关键。基于大动态范
围,高精度和低噪声的考虑,经过比较分析,本系统选用
TI
公司的
ADS1282
作
为本系统的
ADC
器件。
ADS1282
是一款针对工业应用、具极高性能的
31
位
∑-
△
型模数转换器。该
转换器具有稳定四阶
∑-
△
调制器,因而具有非常良好的噪声和线性特性。该调制
器的输出既可以和片上的数字滤波器联合使用,也可旁路输出。数字滤波器可通
过编程来选择不同的滤波器组合方式。片上多路选择器(
MUX
)既可提供用于测
量的附加外部输入,也可用于内部自检电路。片上可编程放大器(
PGA
)具有极
低的噪声和高输入阻抗。同时,片上的增益及失调检测寄存器可支持系统校准功
能
[26]
。
ADS1282
的额定工作温度范围为
-40
℃
~
+85
℃
,适用于能源探测、地震检
测和高精度仪器仪表等要求苛刻的工业应用领域。
ADS1282
的主要特点有
(
1
)高分辨率:在高精度模式,数据输出率为
250 SPS
时信噪比(
SNR
)达
130
dB
,而在低功耗模式,数据输出率为
250 SPS
时信噪比(
SNR
)也可达
127
dB
;
(2)高精度:总谐波失真(
THD
)为
-122
dB
,积分非线性(
INL
)为
0.5
ppm
;
(3)具有低噪声可编程放大器(
PGA
):
5
/
nV H
z
,放大倍数为
1~64
;
(4)具有双通道多路选择输入(
MUX
)功能;
(5)具有超量程快速检测功能的固有稳定
4
阶
△
-∑
调制器;
(6)灵活的片内数字滤波器:可选择 Sinc+FIR+IIR 滤波的不同组合方式, 其中 FIR 滤波方式可编程设置为线性或最小相位响应,数据输出率可在 250 SPS 至 4 KSPS 之间选择;
(7)低功耗:在高精度模式下其功耗为
25
mW
,在低功耗模式下的功耗为
17
mW
,待机模式下为
90
μ
W
,而掉电模式下仅为
10
μ
W
;
(8)具有片上失调及增益校准引擎。
风语者!平时喜欢研究各种技术,目前在从事后端开发工作,热爱生活、热爱工作。