基于DSP和FPGA的数据采集记录与处理硬件设计马宇辉

基于DSP和FPGA的数据采集记录与处理硬件设计马宇辉

马宇辉

（广州广电运通金融电子股份有限公司研究院广东广州510663）

摘要：随着大数据量处理和实时性要求不断提升，数据采集系统的设计在不断完善过程中，形成了DSP和FPGA相融合的实时数据采集和处理系统。文章重点对该系统处理框架、模块的设计构成和系统调试运行进行全面分析，显示数据的实时采集与处理的全过程。借助该设计思路，能够对军事以及相关行业导航系统微型化、控制系统投入成本产生积极的促进作用。

关键词：DSP；FPGA；数据采集处理；硬件设计

前言

众所周知，常见的实时信号处理系统通常具备处理庞大数据的综合能力，而且在系统实时性方面表现良好，所以必须做好高标准的时序设计；另外，系统体积、功耗、稳定性等也须满足较高要求。本文演示的FPGA+DSP处理系统，可以实现实时采集记录与处理的要求，其主要的系统框图见下图1。DSP的优势是借助编程能推广应用到大量产品上，能够兼顾复杂的控制结构算法、高速运算要求、灵敏的寻址要求和完善的通信性能等各方面的需要。不过传统DSP的设计架构内在是串行的，一旦遇到数据体量偏大、处理速度要求高、但是运算结构单一的信号处理算法时，就不具备优势了，不过借助FPGA就可以弥补这一劣势。因此，设计DSP和FPGA融合数据采集处理系统可以使两者优势互补，同时具备很好的速度和灵敏性，这为实现快速完成实时信号处理系统设计提供了支持。

图1FPGA+DSP的处理系统框图

1．系统各硬件模块的设计

1.1FPGA模块设计

FPGA能够借助硬件快速实现数字信号处理运算，它的优势就是单一运算速度快，迟延时间很短。不过FPGA在实施各类数字信号同时处理混合功能完成、复杂公式运算、浮点数据处理等方面比DSP要弱很多。将DSP灵敏性与FPGA快速高效进行融合设计，形成一个完善的系统，这样能够把它们在软、硬件方面编程优势同时发挥出来。

图2FPGA模块关键电路

在该系统中，FPGA的核心作用是采样数据存储、处理采样数据和实现接口电路按照时序动作，它是这个系统最核心的基础部分。FPGA不仅能缓存大量数据，还可以缩小电路板面积，这对降低布线难度有很大帮助，能够满足小型高速数据采集系统的设计需求。FPGA模块设计如图2所示，

FPGA设计芯片采取Altera公司Cyclone系列型号为EP1C6Q240C8，系统时钟设计为48MHz；FPGA外接的存储器是两块SRAM，借助双SRAM的乒乓操作实现数据存储；JTAG模块主要为下载程序和调试服务的，AS模块的作用是烧写flash，关键电路中0.1μF电容能够帮助FPGA芯片实现平面去耦功能。

DSP模块设计DSP模块如图3所示，

图3DSP模块关键电路

DSP芯片采取TI公司系列型号为TMS320C6713；地址线和数据线端的排阻，发挥阻抗匹配功能，系统时钟设计为20MHz；DSP的存储空间微小，采用SDRAM与其连接的方式实现大数据存储，有效降低设计成本投入。DSP外部还有一块FLASH能够实现存储程序功能；MAX706是典型的CMOS监控设计电路，主要对电源电压稳定性进行监控；DSPJTAG模块主要为下载程序和调试服务；大量的电容，帮助DSP实现平面去耦功能。

1.2采集模块设计

图4是采样模块原理图，ADC芯片采取AD公司系列型号为AD9220，大采样率是10MSPS，实时采样精度是12bit；选取AD公司的ADA4897作为前置放大电路模块。适合高动态、高精度以及高速度的设计系统。

图4采集模块原理图

1.3数据传输模块设计

该系统在向PC输入提供两种传输方式可供选择。一是低速数据传输串口，多是用来对系统进行调试或者传输低速数据，利用的MAX3232ECWE芯片；二是高速数据传输USB，在PC端全面应用的接口技术，可连接性强，其传输速度最高480Mbps。本系统设计USB2.0传输模块，芯片编码是CY7C68013A-56PVXI。USB固件程序安装在24LC64芯片，上电后利用SCL、SDA组建I2C总线完成加载动作；DPLUS、DMINUS分别为USB数据线D+以及D-；其中IFCLK能够实现晶振外部连接，给FIFO作为端口提供时钟信号，假如是内部时钟，IFCLK可以用作时钟输出模块。

1.4电源模块设计

采取TI公司的开关稳压管TPS54616、TPS54612、TPS54614来设计三个独立电源，输出电压是3.3V、1.5V、1.2V，其外部设置相同。

2．系统PCB设计

由于系统属于高速数字电路，在PCB设计中布局布线需充分考虑信号完整性和电源完整性的问题。该系统设计有4层板，顶底层都做布线层设计，中间层作电源层和地层设计，三种电源分割在设计阶段充分考虑划分方案；ADC采集模块利用0Ω的电阻来分隔开数字地和模拟地；电容去耦方式的选择有管脚去耦和平面去耦两种，那么电容布置根据设计需要采取靠近管脚和分布在芯片周围两种方式；SDRAM存储器，设计蛇形走线，等长布置数据线和地址线；电容应布置在稳压芯片一侧，加宽稳压芯片走线。有条件的话，设计隔铜皮走线方式，对提升电流流通量大有好处。

3.系统调试

（1）首先是静态测试。设计制作PCB后，先做硬件静态测试，通电之前电路板中的短路问题要做好清理，特别是避免发生电源短路。

（2）电源模块先做空载测试时，注意电源端子和地之间电阻值极小会导致短路发生；测试加载时，电源端子和地之间电阻，大多数几十千欧左右。

（3）数据线和地址线是信号处理板最重要的中枢，仔细测试所有数据线和地址线的连通状态，避免短路或者干扰问题。

4.上电测试

上电测试阶段，最初要检测电源模块。系统上电时，检查所有电源端口和器件的电源能否有效工作，关注系统中器件温度变化，假如出现高温，要先排除器件是否出现器件故障或者发生短路，排除障碍继续测试。接着测试DSP和FPGA两个模块运行状态是否正常，关注晶振电路的起振变化，加载一定的测试程序，看看DSP和FPGA能否顺利完成。当各部分模块测试正常后，要着手开始DSP小系统的运行调试工作。借助JTAG仿真器在电路板加载DSP程序，在模拟仿真环境中检验DSP内部寄存器能否实现精准访问、各外部端口设置是否合理，初始化能否实现。最后，利用Flash时序实施Flash烧写检测，实现DSP脱离JTAG仿真器正常运行后表明测试成功。

5.结语

文章设计的FPGA+DSP采集记录与处理系统，充分实现了两者优势互补，同时具备很高的运算速度和灵敏性，且控制程序简单，稳定可靠，具有很高的实用价值，可以为我国的军工行业导航系统发展提供有利的支持。

参考文献：

[1]宋劲松，杨凯.基于DSP和FPGA的数字信号处理系统设计[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2017（01）

[2]薛开昶，张俊波，龙江.基于定点型DSP的开关电源数字环路控制方法[J].电源世界，2017（03）

[3]钟先芳.DSP和FPGA技术在通用数字信号处理系统设计中的应用[J].电子测试，2015（24）