第ｌ０卷第３期 ２０１０年６月 湖南工业职业技术学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＵＮＡＮ肿ＵＳＴＲＹ ＰＯＬＹＴＥＣＩⅡ Ｃ Ｖ０１．１Ｏ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１０ 基于ＤＳＰ的数据采集系统设计 肖高贤 （湖南工业职业技术学院，湖南长沙４１０２０８） 【摘要】 介绍了一个基于工控机与ＤＳＰ的高速数据采集系统，给出了系统的总体介绍方案，选取了系统的主要硬件模块，分析 了系统主要硬件电路的功能和部分软件的设计思想。该方案主要围绕实时、高速、大容量数据采集等多方面考虑，以突出方案的优 越性，为电力系统交流电量数据采集提出了一个有效的途径。 ［关键词】ＤＳＰ；数据采集 【中图分类号］ＴＢ１ 【文章标识码］ Ａ 【文章编号］ １６７１—５００４（２０１０）０３—００１３—０２ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ＤＳＰ ⅪＡｏ Ｇａｏ—ｘｉａｏ ． （Ｈｕｎａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２０５，Ｈｕｎａｎ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉＭ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ＤＳＰ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆ ｏｍａｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｏｕｇｈｔ ａｒｅ ａｒｉａ－ ｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ，ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ，ｇｒｅａｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｎｄ ＳａＯ ｏｎ，ｒｅｖｅａｌｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ａｃ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ＤＳＰ；Ｄａｔａ ａｃｕｉｑｓｉｔｉｏｎ 统的实时时钟，由串口时间信息建立测量系统的年、月、日和 时、分、秒，由同步秒脉冲和计数器建立测量系统的微秒级时 钟，使测量系统可以在任意时刻读出精度达到１ ｓ的时间；在 采样过程中，不但获得采样点的值，同时由ＤＳＰ对该采样点打 上时间标签，然后对采样的数据进行傅立叶变换（ｒｗｒ），使之 成为连续的采样波形。 一、引言 随着科学技术的发展，雷达、通讯、电子对抗、航天测量、图 象、多媒体等诸多领域对数据采集系统提出了更高的要求。随 着一些新的高性能的电子芯片的推出，电子系统设计有了更 多的选择和更方便的条件，使交流电量同步采集得到了快速 展。实现多路并行数据的高速数据采集，并且使系统具有良好 的可扩展性，是数据采集发展的重要方向。如何将大量的数据 同步快速地存储，是采集器设计亟待解决的问题。 本文选择以ＤＳＰ芯片为主处理单元、融合工控机为从处 要实现对较宽频域范围内高频、瞬态信号细节的精确、实 时测量，则要求有较高的采样率和分辨率，实时信号处理流程 则必须具备对大流量采样数据的快速运算处理能力。就信号 处理而言，ＤＳＰ在内核结构和指令系统方面可以提供高速的不 同类型、不同层次、不同定制的算法处理支持，其运算机制、寻 址方式、内部资源非常丰富，不过由于ＤＳＰ实时运算处理总需 一理单元的系统结构方案，除了满足对大量数据的信息处理要 求外，还实现了液晶显示和键盘控制功能。之所以采取ＤＳＰ 加工控机的方案，是考虑到系统实际要处理的信息可能很多、 工作量很大，如果所有用任务都交给ＤＳＰ来完成，不仅影响 ＤＳＰ的处理速度，恐怕还难以胜任。而ＰＭＵ是低成本的，主要 长处是对外部Ｉ／０设备的控制功能，但其数字信号处理能力 很差，正好与ＤＳＰ功能互补。在诸多任务中，对＝于二液晶显示、 键盘控制等简单处理环节可以交由工控机很好地完成，这样 充分利用了单片机在控制方面的长处，使得ＤＳＰ可以专门用 定的周期的原因，另外在数据处理的同时，ＤＳＰ还有一些诸 如数据上传、取控制及模块问通讯等操作要占用外部资源。则 在采样率３０ＭＨｚ以上的场合，ＤＳＰ并不能不丢失．地存取高速 Ａ／Ｄ器件的转换数据，于是需要借助外围硬件电路协助控制 管理数据采集进程，本文采用双口ＲＯＭ对采集的数据进行缓 存。然后工控机从ＲＯＭ中读出数据，对数据进行处理。从系 统的集成度、可重构性、可靠性等方面考虑，ＣＰＬＤ是这类高速 数据实时数据采集系统外围逻辑构造的较好选择。ＣＰＬＤ的 使用，将所有的逻辑都集中到一个芯片当中，极大的节省了空 间，再加上可在线编程等，从而极大地增加了系统设计的灵活 性，因而得到了越来越广泛的应用。 于数字信号的处理和各种算法的实现，可以满足许多实时处 理的需要。 交流电量同步采集要求所有测量数据都对应一个全局时 标，这就要求系统必须有一个高精度的同步时钟。全球定位 系统ＧＰＳ的出现，解决了这一难题。利用ＧＰＳ接收板发出的 串口时间信息和同步秒脉冲，在测量系统内建立整个测量系 ［收稿日期］ ２０１０—０５—０２ ［作者简介］ 肖高贤（１９８１一），男，湖南娄底人，湖南工业职业技术学院助教。 １３ 第３期 湖南工业职业技术学院学报 ２０１０年 二、数据采集模块结构及工作原理 整个系统可分为４个部分：第１部分，数据采集及控制部 分；第２部分，数据采集的数据缓存部分；第３部分，工控机数 据处理部分；第４部分，人机接口部分。本文的同步采集器共 对（Ａ、Ｂ、Ｃ） ．每个Ａ／Ｄ转换器都有三对输入端（ＡＯ／Ａ１．１３０／ Ｂ１．Ｃ０／Ｃ１），可以同时采样、转换，因此可以保持两个模拟输入 信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号（ＨＯＬＤＡ、 ＨＯＬＤＢ、ＨＯＬＤＣ），这３个保持信号同时有效就可以同时保持６ 路输入信号。转换的数据分别存放在６个寄存器中。在Ａ／Ｄ 采集处理６路模拟信号：ＵＡ，ＵＢ，ＵＣ，ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ。６路模拟信号 经过前端信号调理电路和Ａ／Ｄ转换器后变成数字信号被传送 到ＤＳＰ中。通过外围硬件电路双口ＲＯＭ对数据进行缓存，再 由工控机读取这些数据，并进行数据的处理。本文将ＧＰＳ接 收板接收到的同步秒脉冲ｌＰＰＳ作为整个系统的同步时钟。 ＣＰＬＤ逻辑控制模块通过接收同步秒脉冲１ＰＰＳ和ＤＳＰ的控制 转换器开始一次新的转换时，ＢＵＳＹ脚变为低电平，并且在转 换进行期间一直保持低电平；在数据被锁存到输出寄存器之 后，再升高。完成一次Ａ／Ｄ转换至少需要ｌ６个时钟周期。转 换完成之后，若ＲＤ、ＣＳ端都被拉低，则可以将数据从并行输出 总线读出。ＡＤＳ７８６４的每个读操作都输出ｌ６位信息（１２位 数据、３位通道地址和ｌ位有效数据）。地址／模式信号（Ａ０、 信号，并经过一定的逻辑运算产生同步采样信号，以控制不同 地点同步采集器的Ａ／Ｄ转换器同时开始采样保持和模数转 换，从而实现了交流电量的异地同步采集。另外，ＣＰＬＤ还负 责双口ＲＯＭ的读写时序控制以及产生Ａ／Ｄ转换器外部时 钟等。 三、数据采集系统的硬件选用 １．ＤＳＰ的硬件选择 系统中，ＤＳＰ采用１１公司ＴＭＳ３２０Ｃ２００系列中的 ＴＭＳ３２０９２８１２。ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２（以下简称Ｆ２８１２）是性价比较 高的一款ＤＳＰ芯片，具有运行速度快、外设集成度高、存储空 间大、Ａ／Ｄ转换速度快、转换精度高等特点。 ２．Ａ／Ｄ转换电路模块 本设计采用的是，兀公司Ｂｕｒｒ—Ｂｒｏｗｎ产品部推出的Ａ／Ｄ 转换器ＡＤＳ＇／８６４。 ３．双口ＲＯＭ的选择 本文选用的是ＩＤＴ７０７２７８作为双口ＲＯＭ。ＩＤＴ７０７２７８为 ３２Ｋ×１６位静态双口ＲＯＭ，允许两个端口同时读写数据每个 端口具有的控制信号线、地址线和数据线；它允许数据高 速存取，最快存取时间为１５ １１８。 ４．工控机的选取 工控机的数据处理速率必须高于数据的采集速率，不然 就有可能造成数据的丢失。本文采用的ＳＩＥＭＥＮＳ公司生产的 ＰＧ５４７８，采用Ｉｎｔｅｌ ＣｏｒｅＴＭ２ Ｄｕｏ６４位处理器，１ ０６６ ＭＨｚ前端 总线；ＤＤＲ２６６７内存技术，容量４ Ｇｂ。 ５．ＣＰＬＤ的选择 在选择可编程逻辑器件时，所选器件的逻辑资源量能否 满足系统的要求是首要考虑的因素，但在实际凋试前很难准 确确定芯片耗费的资源。ＣＰＬＤ器件的选型大都先使用开发 软件大概估算一下需要资源量，选择有一定冗余的器件以便 充分满足系统的设计要求；同时也要考虑系统设计完成后，有 可能增加新的功能，以及后期的硬件升级的可能性。本设计 选用的是Ａｈｅｒａ公司生产的一款性价比很高的ＭＡＸ ＩＩ系列 ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ１２７０Ｔ１４４Ｃ５。 ． 四、数据采集系统的硬件设计 １．模拟信号输入设计 ＡＤＳ７８６４的模拟信号输入可以采用单端输入～差分输出 方式或差分输入一差分输出方式。６个模拟输入通道分成３ １４ Ａ１、Ａ２）选择数据从ＡＤＳ７８６４读出的方式。这些地Ｊａｌ：／模式信 号决定是选择单通道模式、循环模式（在所有通道之间循环） 还是先入先出（ＦＩＦＯ）模式。 ２．数据缓冲部分的设计 利用ＣＰＬＤ控制向双口ＲＯＭ写数据：先写地址的低地址 段，完成后查询输入ＦＬＡＧ２脚，若为１（在ＦＰＧＡ上电时默认 管脚为低电平），把ＬＦＡＧ０输出反向（使之为低电平）。如果 ＦＬＡＧ２为高电平，则说明可以向高端地址段写入采集数据，否 则继续查询等待，直到为真。这时，另一端的ＦＰＧＡ在向硬盘 中写完数据后，也要查询是否低端地址段写完可以继续读取， 在高位地址段写完之后，查询低位地址是否被ＦＰＧＡ全部读 取，继续循环操作。该方法可以实现很高的数据吞吐率，很方 便易行。 五、数据采集系统的软件设计 本系统需要完成数据采集、数据传输、数据存储、数据处理 ４个基本功能。这４部分在系统软件的监控和任务调度下协 调运行。 １．Ａ／Ｄ采样软件设计 这部分软件主要完成控制Ａ／Ｄ转换过程并由ＤＳＰ读取 转换数据结果。在系统初始化工作结束后，就开始运行ＡＩＤ 转化部分程序。在Ａ／Ｄ转换器开始一次新的转换时。ＢＵＳＹ 脚变为低电平，并且在转换进行期间一直保持低电平；在数据 被锁存到输出寄存器之后，再升高。完成一次Ａ／Ｄ转换至少 需要１６个时钟周期。转换完成之后，若ＲＤ、ＣＳ端电位都被拉 低，则可以将数据从并行输出总线读出。如图２所示，ＤＳＰ按 照预先设定好的程序顺序读取６路数据，然后采集的数据通 过并行总线接口传输到双ＲＯＭ里，以便工控机从中读取数 据，对数据进行出分析处理。 ２．ＤＳＰ软件读写程序设计 ＤＳＰ是对数据进行采集的单元。该单元把通过Ａ／Ｄ转化 过来的数据进行采集，初始化ＦＬＡＧ引脚的方向，然后把采集 到的数据写到双ＲＯＭ里通过ＦＬＡＧ的方向来控制工控机读取 数据。 ３．工控机的软件设计 工控机作为数据的处理单元，对双口ＲＯＭ读取的数据进 行处理，向指定的Ｉ／Ｏ写数据…０’，使ＦＬＡＧ脚为０，从双口 ＲＯＭ里读出数据，进行ＦＦＴＩ’变化（即离散傅立叶变换），并在 此上完成电能质量参数的计算， （下转第４５页） ２０１０正 湖南工业职业技术学院学报 第３期 四、保障旅游者旅游购物过程中合法权益 的对策 １．行政管理部ｆ－ｌ￣ｎ强旅游商品市场的监管 １）统一管理旅游商品品目 的不完善、不成熟之处，但是由于旅游法律体系的不健全，旅游 业中的许多问题都没有得到有效地解决。比如，“零负团费” 现象所隐含的旅行社业价值链的逆转。导游人员甚至没有基 本工资，每天只能获取出团费，而且出团费一般不高。这样以 来，导游人员带领旅游者购物，从中获取回扣以赚取额外收入 也就成为可能。旅行社完善内部的激励机制，可以从源头上杜 绝旅游陷阱的产生。同时，旅行社有义务加强员工的职业培 训，在提高职业技能的同时，提高员工的职业道德。 ３．增强旅游者的自我保护意识 游客的不成熟消费行为助长了旅游市场的不规范，很多 旅游者对自身的权益并不十分了解；另一方面，游客在购物时 缺乏成熟心理，买与不买完全在于导游和商店服务员的“热情 态度”和“解说服务”来决定 。为了保护旅游者的权益不受 侵害，一方面旅政管理部门要求旅行社发给游客的行程 表必须具体详实和量化，使游客的监督有据可查，有章可循：另 一行政管理部门统一管理旅游商品品目。首先，对旅游商品 市场中已有的商品进行分类，定等级，并制定统一的价格标准。 其次，严格清除目前旅游商品市场中质次价高、质地与生产日 期不清楚的商品。再次，对旅游商品统筹计划生产，可对生产 出来的旅游商品加以特殊标识，以规范旅游商品市场。 ２）加大旅游商品的研发力度 行政管理部门可以联合相关部门加大旅游商品的研发力 度。首先要改进旅游商品市场中现有的旅游商品，使其质量合 格，特色突出；其次要开发出有文化内涵和品位的高端旅游商 品。同时，加强设计力量，形成专业化队伍，注重高中低档次的 结合，注重纪念性、工艺性和实用性的结合，全面适应多样化市 方面需要加强游客和市民理性消费的引导，培养旅游者自 场的需求，确实做到旅游购物商店的商品货真、货全、价实。 ２．旅行社完善经营管理制度 主消费意识，强化他们的自我保护意识，使旅游者能从旅游市 场角度提高旅游业服务质量，对整顿治理旅游市场秩序起到 监督与促进作用。 【参考文献］ １．明确和落实旅游合同的责任与义务 （１）明确旅游合同内容 旅游信息的不对称，使得明确旅游合同内容显得尤为重 要。旅行社常利用信息不对称，制定有利于自身利益的合同条 款。比如，旅行社对其所提供服务优点往往大加宣传，但对旅 游的不确定性则少有说明，这就在一定程度上增加了旅游者 的风险。因此，旅行社应该严格按照法律要求，明确旅游合同 ［１］陈秋萍，郑向敏．旅游购物的心理误区与调整对策［Ｊ］．北京第二 外国语学院学报，２００１，５：７—１１． ［２］ 匿名．旅游购物点珠宝质量合格率不足五成［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ ＷＷＷ．３１５ｔｓ．ｎｅｔ．２００９一Ｏ３—１７． 内容，对旅游过程中的具体细节要求明确告知旅游者，以维护 旅游者的知情权。 ［３］ 樊华．浅析“旅游购物行为”中的信息不对称现象［Ｊ］．商业研究， ２００７，２，６６—６７． （２）落实旅游合同的责任与义务 旅行社应依照合同约定的标准向旅游消费者提供服务， ［４］刘尊礼．旅游购物顾客伤害及旅行社顾客流失［Ｊ］．四川大学硕 士学位论文，２００７，１４一ｌ５． ［５］魏国庆．博弈论［Ｍ］．高等教育出版杜，２００７，１４５—１４６． ［６］曼昆．微观经济学［Ｍ］．机械工业出版社，２００７，２６—２７． ［７］ 洪潜．浅谈旅游购物陷阱的治理措施［Ｊ］．广西大学学报，２００７， ５，１６２—１６３． 亦即应依约定全面履行其合同义务，以保证旅游消费者利益 的实现 ｊ。旅行社提供的旅游服务存在严重缺陷而损害旅游 消费者利益的，旅游消费者有权解除合同，并请求损害赔偿。 ２）完善从业者的激励机制 旅游业作为一新兴的产业，在经营管理方面还存在许多 （上接第１４页） 包括电压有效值、电压偏差，功率及功率因 ［８］ 钱益春，文静．旅游购物投诉现象分析及对策研究［Ｊ］．商场现代 化，２００６，２：２０６ 工业出版社，２００２． 数幅值、相位、频率、谐波含有率、总谐波畸变率、不平衡度等参 数的计算。当ＦＬＡＧ脚为１时，表示数据已全部读完。 ［２］ 王道宪．ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ可编程逻辑器件应用与开发［Ｍｊ．北京： 国防工业出版社，２００４． ［３］ 李光辉，陈志英．ＤＳＰ技术在电力系统谐波测量中的应用［Ｊ］． 六、结论 本文设计了基于工控机与ＤＳＰ的高速数据：果集系统，介 绍了选用各个功能模块的作用，以及部分主要硬件和软件的 设计。本文所设计的数据采集系统已经通过调试，并对各个模 福州大学学报（自然科学版），２００５． ［４］赵飞，梁志瑞，牛胜锁．基于ＤＳＰ和ＧＰＳ的异地交流电量同步 采集系统［Ｊ］．电测与仪表，２００８． ［５］ 罗漫江，刘书明．ＡＤＳＰ一２１０６２与工控机数据交换电路的设计 ［Ｊ］．电子设计应用，２００４． ［６ｊ 赵伟，鲍慧，刘云峰．基于ＤＳＰ的高速数据采集系统设计［Ｊ］． 电力科学与工程，２００８ 块进行了功能测试，达到了预期的目标，电压的有效值、电流的 有效值及功率因数等主要参数的测量误差均小－ｆ’０．４５％。该 采集系统以实时同步采集、数据传输率高、电路简单、可靠性高 等优点在电力系统交流电量数据采集上具有广泛的应用价值。 ［参考文献］ ［１］张卫宁．ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列ＤＳＰ原理及应用［Ｍ］．北京：国防 ４５
