第2章 高速数据采集系统设计

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1、华清远见--嵌入式培训专家：www.farsight.com.cn“黑色经典”系列之《DSP嵌入式系统开发典型案例》第2章高速数据采集系统设计数据采集即利用计算机获取信息，通过数据采集过程，真实世界的信息变成计算机可以识别的二进制代码，并可供计算机存储和进一步处理，或者通过网络传输。数据采集卡就是实现数据采集过程的工具，对于计算机来说，就好比是人的眼、鼻、舌一样。外界的信息一般是模拟信号，计算机是用数字信号，数据采集系统通过模拟数字转换（即AD）芯片来完成这一任务，这一过程称为采样。如果每秒钟采样速率少于50幅图像，那么我

2、们看到的电影或电视画面，就会是不连续的，采样过程也有同样的问题，对于视频、多媒体信息来说，每秒钟的采样的次数必须要足够高，才可以真实反映这些信息。信息越丰富，采样的次数就要求越高，这实际上就是信息论中著名的奈奎斯特采样定理。因此，对于信息越来越丰富的社会来说，采样的速度要求越来越高。从收音机、黑白电视机、彩色电视机到交互式多媒体终端，数字化所需要的数据采样速度呈爆炸式增长。采样的速度快必然要求后面处理过程也要加快，采用高速的数字信号处理（DSP）专用芯片，组成高速数据采集系统甚至是超高速数据采集系统成为很多领域计算机获取信

3、息的标准外部设备。DSP交流网：www.hellodsp.com华清远见--嵌入式培训专家：www.farsight.com.cn2.1高速数据采集概述高速数据采集系统具有极强的通用性，可广泛应用于军事、工业生产、科学研究和日常生活中。就像其他计算机技术一样，随着数字化生活的到来，高速数据采集系统在日常生活中的应用越来越显著。智能化建筑中各种信息，包括温度、湿度、声音、视频等各种信号都必须通过高速数据采集系统才能进入系统计算机，供智能建筑其他系统进一步处理。对于每个家庭来说，各种家用电器的智能化数字化的第一步，也是通过高速

4、数据采集系统将外界的信息数字化。特别是对于家庭录像来说，需要同时记录视频和音频，可能还有文字等其他信息，这时需要的采样速度是非常高的，这对高速数据采集系统的性能要求极为显著。高性能的高速数据采集卡一般来说相当昂贵，这主要是由于高速电子器件成本和制作工艺，以及高密集的技术含量造成的，不过随着社会的市场需求和技术的进步，高速数据采集卡的价格不会阻碍其在日常生活中的广泛应用。典型基于DSP的数据采集系统一般包括：AD模数转换芯片、DA数模转换芯片、SDRAM动态数据存储元件、Flash静态数据存储元件、HPI主机接口、USB接口

5、、PCI接口等。典型的数字信号处理过程如图2.1所示。放滤信大波AD号电电路路RAMHPI计算机通信口DSP保护电路EPROMUSBPCI显示输出键盘输入DA图2.1典型的DSP应用系统图2.1是一个典型的DSP应用系统。输入信号可以是各种形式，它可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输出的信号。如果输入信号的幅度较小或者过大，一般都需要经过放大器DSP交流网：www.hellodsp.com华清远见--嵌入式培训专家：www.farsight.com.cn单元将输入信号幅度放

6、大或者缩小后，送到AD进行模数转换；如果输入信号带有较大的噪声，一般需要经过一个硬件的模拟滤波单元，将信号滤波整形后，送到AD进行模数转换。AD能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足香农采样定理，也就是为了保证不丢失信息的所有信息，采样频率必须高于输入信号最高频率的2倍。AD变换后得到的数字信号输入到DSP芯片，再由DSP芯片对该数字信号进行各种数字信号算法的处理。AD完成数据采集的功能，在DSP系统中处于首要的地位，DSP对AD的控制是大部分DSP系统的重要组成部分。第2章和第3章分别介绍高速和中速两种数据采集系统的研制

7、。目前在模拟信号到数字信号的转换过程中，模拟信号一般分为射频、中频和低频等3种频率段的信号。射频信号一般经过模拟下变频，将信号的中心频率下移到中频段或者低频段，在满足带通采样定理情况下，使用AD进行数字转换。由于有模拟下变频技术，使得数据采集仅仅受限于信号的带宽，而不受限于信号的最高频率。通常认为如果数字逻辑电路的频率超过50MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电子系统一定的份量（比如说1/3），就称为高速电路。相应的，对于并行采样系统，如果采样频率达到50MHz，并行8bit以上；对于串行采样系统，如果采样

8、频率达到200MHz，一般将这种采样系统称为高速数据采集。目前高速数据采集使用较多的采样频率一般在50M～100MHz之间。TI公司的TMS320C6000系列DSP由于具有较高的运行速度和总线速度，成为高速数据采集中广泛使用的数据处理芯片，TI公司也相应的配套一些高速的模数转换芯片。本章以TI公司的T