1 引言

　　數(shù)據(jù)采集通常有兩種解釋：一種是指盤點機、掌上電腦等終端電腦設備；另外一種是指網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集用的軟件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了：可視化的報表定義、審核關系的定義、報表的審批和發(fā)布、數(shù)據(jù)填報、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)評審、綜合查詢統(tǒng)計等功能模塊。通過信息采集網(wǎng)絡化和數(shù)字化，擴大數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍，提高審核工作的全面性、及時性和準確性；終實現(xiàn)相關業(yè)務工作管理現(xiàn)代化、程序規(guī)范化、決策科學化，服務網(wǎng)絡化。

　　我國目前中小容量機組（200MW及以下）在火電廠中占相當大的比例，這些機組的監(jiān)控模式為模擬控制系統(tǒng)加以常規(guī)儀表為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種監(jiān)控模式存在著檢修維護工作量大、沒有可靠的歷史記錄等缺點。而且常規(guī)模擬儀表也進入老化淘汰期，設備可靠性明顯降低，某些儀表的備品備件也得不到保障，因此中小型機組監(jiān)控系統(tǒng)的技術改造工作已勢在必行。結合我國國情，借鑒國內類似系統(tǒng)的研制經(jīng)驗，開發(fā)出一套經(jīng)濟實用的FDC-Ⅱ型分布式發(fā)電廠運行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，既可用于中小機組技術改造，又可應用于變電站、供電局等電力生產(chǎn)、管理部門。該系統(tǒng)目前已在山東省某150MW火力發(fā)電廠投入實際運行。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 系統(tǒng)整體結構設計

　　該高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用TI公司的TMS320C6713型DSP作為控制器，內核采用超長指令字（VLIW）體系結構，8個功能單元共用32個32位通用寄存器。多可在一個周期內同時執(zhí)行8條32位指令，提高程序執(zhí)行速度；具有32位外部存儲器接口（EMIF），尋址空間可達52 MB；可與SDRAM、SBRAM實現(xiàn)無縫連接，用于大容量高速存儲：直接異步存儲接口可與SRAM、EPROM連接，用于小容量數(shù)據(jù)存儲和程序存儲：具有16個獨立的EDMA傳輸通道。

　　另外，TMS320C6713便于擴展存儲器和I／O接口。其總線在片內不易受干擾，且應用體積小，容易采取屏蔽措施，故可工作在電磁干擾較強的環(huán)境下，可靠性高。TMS320C6713采用增強型哈佛結構，可以完成并行指令操作。

　　以TMS320C6713為的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。該系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)總線為32位，連接A/D轉換器、DSP、通信接口以及數(shù)據(jù)Flash的數(shù)據(jù)線。DSP的地址總線經(jīng)CPLD澤碼，實現(xiàn)對A/D轉換器、通信接口、數(shù)據(jù)Flash等器件的片選信號。

　　2.2 A/D轉換器模塊設計

　　模數(shù)轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉換器是將一個輸入電壓信號轉換為一個輸出的數(shù)字信號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見的參考標準為的可轉換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數(shù)轉換器重要的參數(shù)是轉換的，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表示。轉換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉換器的性能也就越好。A/D轉換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，有些過程是合并進行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉換過程中是同時實現(xiàn)的。一般來說，AD比DA貴，尤其是高速的AD，因為在某些特殊場合，如導彈的攝像頭部分要求有高速的轉換能力。一般那樣AD要上千美元。還有通過AD的并聯(lián)可以提高AD的轉換效率，多個AD同時處理數(shù)據(jù)，能滿足處理器的數(shù)字信號需求了。

　　A/D轉換器模塊選用MAX1420。MAX1420是ADI公司推出的12位A／D轉換器，其轉換速率是60 Ms/s，電源電壓是3.3 V，允許輸入信號范圍是-1.024～+1.024 V，功耗218 mW。系統(tǒng)由DSP向MAX1420發(fā)送指令，控制A/D轉換時序。MAX1420的數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)總線相連。MAX1420的地址線與控制線由DSP發(fā)出指令并經(jīng)CPLD譯碼，實現(xiàn)該器件的片選（CS）控制；MAX1420工作時CS保持低電平。A／D轉換器硬件電路如圖2所示。

　　另外，系統(tǒng)若要實現(xiàn)時分采集多路數(shù)據(jù)，為簡化系統(tǒng)設計，只需在MAX1420前端加載多路模擬開關。使用AD7503就可實現(xiàn)8路模擬開關，從而實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。

　　2.3 通信接口模塊設計

　　本系統(tǒng)的通信接口有標準RS232和USB2.0兩種接口。由于TMS320C6713片上有標準同步串行接口，若與外部同步串行通信，只需采用MAX3232完成TTL電平與EIA電平的轉換。若采用異步串行接口。則可采用TL16C550實現(xiàn)該功能。這里采用FT245BM器件完成USB2.0接口，該器件主要功能是進行USB與并行I／O口之間的協(xié)議轉換。一方面可從主機通過USB接口接收數(shù)據(jù)，并將其轉換為并行I/O口的數(shù)據(jù)流格式發(fā)送給外設；另一方面外設可通過并行I/O接口將數(shù)據(jù)轉換為USB的數(shù)據(jù)格式傳輸至主機。中間的并行I／O接口與USB的協(xié)議轉換全部南該器件自動完成。

　　FT245BM內部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、USB協(xié)議引擎和先進先出（FIFO）控制器等構成。USB收發(fā)器提供USB2.0的全速物理接口到USB總線，支持UHCI／OHCI主控制器；串行接口引擎實現(xiàn)USB數(shù)據(jù)的串／并雙向轉換，并遵循USB規(guī)范完成USB數(shù)據(jù)流的位填充／位反填充，以及循環(huán)冗余校驗碼（CRC5／CRC16）的產(chǎn)生和檢錯；USB協(xié)議引擎管理來自USB設備控制端口的數(shù)據(jù)流；FIFO控制器處理外部接口和收發(fā)緩沖區(qū)間的數(shù)據(jù)轉換。

　　FIFO控制器實現(xiàn)與DSP主機的接口，主要通過8根數(shù)據(jù)線D0～D7及讀寫控制線實現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)交互。FT245BM內含2個FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：128 B接收緩沖區(qū)和384 B發(fā)送緩沖區(qū)，用于緩存USB數(shù)據(jù)與并行I／O口數(shù)據(jù)交換。另外，F(xiàn)T245BM還內置3.3 V穩(wěn)壓器，6 MHz振蕩器、8倍頻的時鐘倍頻器、USB鎖相環(huán)和EEPROM接口。FT245BM的8位數(shù)據(jù)線與系統(tǒng)總線的低8位相連，其時序由DSP的控制總線控制，圖3為其外圍電路。

　　2.4 數(shù)據(jù)存儲模塊設計

　　為了避免系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)因意外斷電或通信故障而丟失，設計相應的數(shù)據(jù)存儲模塊。這里選用SAMSUNG公司的K9F1G16Q0M型Flash存儲器，片上容量為1Gb，具有16位地址總線，將其與數(shù)據(jù)總線相連，并與數(shù)據(jù)線的低8位復用。64 MB存儲空間需要16位地址總線，這就需要在使用時按照時序要求將地址用系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線分2次寫入。相應接口電路如圖4所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　該系統(tǒng)以DSP為中央控制器，實現(xiàn)A/D采樣、數(shù)據(jù)存儲、與上位機通信等功能。由于DSP的選型，故軟件開發(fā)平臺是針對TMS320系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS（Code Composer Studio）。采集系統(tǒng)處于循環(huán)采樣狀態(tài)，根據(jù)被采樣信號特點選擇合適采樣速率。對于較大數(shù)據(jù)，DSP采用壓縮技術，以節(jié)約內存空間。完成一組數(shù)據(jù)的采集后，將數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳送給上位機，并有選擇地在系統(tǒng)的Flash中備份數(shù)據(jù)。圖5為該系統(tǒng)主程序流程。

　　4 測試結果分析

　　經(jīng)測試，以MAX1420與TMS320C6713為的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以50~60 Ms／s的采樣速率可穩(wěn)定工作，并實時備份數(shù)據(jù)。由于采用USB接口，可方便將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機，且上位機軟件開發(fā)方便，也可在Windows XP平臺下直接讀取。該系統(tǒng)采用DSP控制，除完成數(shù)據(jù)采集外，還可實時信號處理數(shù)據(jù)。在測試中，系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)進行濾波和頻譜分析等算法處理。

　　5 結束語

　　以高速A／D轉換器與DSP為，設計開放式高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在采集過程采用中斷觸發(fā)方式，速度達60 Ms／s?？筛咚賹崟r采集有關圖像、聲音等物理量。該系統(tǒng)設計不僅開放、高速、高，而且體積小、低功耗、可靠性高，因此還可用于其他便攜式采集設備。由于系統(tǒng)采用DSP為控制器，具有強大的數(shù)字信號處理功能，可通過編程設置實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字信號處理功能，而無需增加新硬件。