基于DSP/CPLD的嵌入式仪表硬件平台

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数字化、智能化是仪器仪表的发展方向之一，同时仪器仪表的数据采集速度越来越快，数据量越来越大，对数据处理时间的要求也越来越短，这就对仪器仪表的硬件平台提出了新的要求。目前很多简单智能仪表仍使用单片机来实现，单片机应用广泛，价格也很便宜，接口性能良好，容易实现人机接口，但单片机系统复杂，尤其是乘法运算速度慢，在运算量大的实时控制系统中很难有所作为。高端仪表的硬件平台通常使用嵌入式微机系统，但其成本比较高，也不宜产品的小型化。
总体方案
本文所要设计的是一种脱机型仪表硬件平台。平台应可以满足一般的数据采集的实时性要求，可以灵活的适用于多种不同的应用场合，可实现多种类型信号的采集和处理，结构小巧紧凑，便于现场处理，还能与PC机或其他设备进行通信和交换数据。对此，我们构建了基于DSP和CPLD技术的硬件平台。整个平台由三部分组成（图1）。

图1 总体框图

信号采集单元负责获取外部信息并将其转换为数字信号输出。在输入端，由于采用了灵活性很强的CPLD作为A/D与DSP之间的接口，使这个硬件平台可方便的适用于不同的应用场合。针对不同的传感器和应用需求，选择合适的A/D芯片。实验中，系统使用的是CMOS图像传感器OV7120，把图像转换为8位分辨率的数字图像。A/D输出的数据先经过CPLD预处理，DSP把CPLD作为一个端口读入数据，放到外扩的SRAM中。
信号处理单元是整个系统的核心，由TMS320C6712及其外围辅助电路构成，负责对采入的信号进行实时处理。DSP读入SRAM中的数据并进行相应的算法处理。系统中各模块间的通讯与逻辑控制由CPLD负责。
信号传输单元是DSP与PC机或其它系统实时通讯的中介。本系统中，DSP处理后的结果通过RS485总线远距离传输，最后通过RS485/RS232转换器送给PC机。工作流程框图如图2所示。

图2   程序流程图

硬件电路设计
图像采集是OV7120和CPLD协同工作来实现的，CPLD为OV7120提供I2C接口来配置寄存器，同时提供CCLK时钟信号，并对图像数据锁存后传给DSP，图3是接口设计原理图。其中SCL、SDA为I2C控制线；CCLK为OV7120的输入时钟；PCLK、HSYNC、VSYNC分别为点频和行、场同步输出信号；D[70]为8位图像数据输出信号线；HREF是水平参考信号；INT4为DSP的中断。

图3 接口设计原理图

实  验
信号处理算法由DSP芯片实现，在实验中我们编写了二维FFT算法来验证平台的性能。二维FFT的实现流程如图4所示，算法由C语言编写。图5是实际采到的一幅图像，图6是提取256×256的图像并进行二维FFT运算后的结果。

图4 二维FFT流程图

图5 实际采得的一幅图像

图6二维FFT运算结果
实验表明该平台实现了图像采集和处理功能，图像采集速度约1帧/s，256×256的二维FFT算法的运行时间为960ms。但对于不像图像这么大的数据采集量，可以先将数据存放到内部RAM中的，系统的数据采集速度为12Mbyte/S,对于可以直接在内部运行的32×32的二维FFT算法的运行时间为5ms。
结  语
测试结果和实际应用说明，此平台具有较快的数据采集速度和较高的运算能力，能够完成实时数据的采集和处理，是一种体积小、重量轻、微功耗、低成本、处理速度快、可靠性高、便于升级的测试测量仪器平台，在仪器仪表领域具有着广阔的应用前景。平台所用DSP芯片为TMS320C6712,其主频目前只使用80MHz，运算速度不是很高，数据存储器为SRAM，读取速度也不是很快，如果将DSP升级为TMS320C6711（最高150MHz）;并把数据存储器换为SDRAM，可以大大提高平台的运算速度。