（粒子物理与原子核物理专业论文）基于dsp的高速核信号波形采集电路的研制.pdf

y7 7 5 7 4 8 基于d s p 的高速核信号波形采集电路的研制 粒予物理与原子核物理专业 研究生：刘国华指导教师：杨朝文 本论文基于t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 芯片，以及高速的a d 采样芯片， 设计完成了适用于直接对核信号波形进行采样的、具有p c i 总线的接口卡。最 高采样频率达到4 0 m h z ，适合一般核探测器输出信号的波形采集。 对数据采集系统的硬件电路设计进行了详细的讨论，给出了具体的原理图 和印制电路板图。研制成功了有较高实用价值的接1 3 电路。在c c s 软件平台上 开发成功了配套使用的d s p 软件。并将软、硬件系统集成调试成功。最后对不 同频率的模拟信号进行采样，在输入1 0 m h z 方波情况下，采样结果与输入信号 基本一致，得到了预期的结果。 随着计算机技术与大规模集成电路技术的发展，在现代核电子学测量中， 正在大量使用超大规模集成电路与高速实时处理软件组成的系统取代传统的模 拟测量系统。在这样的系统中，是对整个核信号的波形进行采样，然后进行实 时的分析处理。因此，核信号波形的采集是系统的基础，实时分析处理软件是 核心。本接口电路完全能够用于实际的核探测器信号波形的采集与分析，在此 基础上，采用速度更高的a d 芯片进行设计，将可以用于辐射探测器快信号的 波形采样，因此，本论文工作对于核信号波形采样与处理、对于新型核测量系 统的研制都具有重要的意义。不仅如此，该接口电路配合适当的d s p 核i i , 软件 和上层计算机系统软件，完全可以应用于其它领域，如医学诊断、工业无损检 测等领域的信号采样与分析。 关键字：核信息获取与处理，核信号波形采样，数字信号处理，d s p ，p c i 接口 d e v e l o p m e n to fh i g h s p e e dn u c l e a rp u l s es h a p e a c q u i s i t i o nc i r c u i tb a s e do nd s p m a j o r ：p a r t i o ea n dn u c i e a rp h y s i c s g r a d u a t e ：l i ug u o h u a s u p e r v is o t ：y a n gc h a e - w e n t h isp a p e rf in is h e si n t e r f a c ec a r dw it hp c ib u sb a s e do nt m s 3 2 0 c 6 2 0 5 d s po ft ia n dh i g h s p e e da ds a m p t i n gc h i p ，i ti ss u i t a b l ef o rn u c t e a r p u l s es h a p ed i r e c ta c q u i s i t i o n s u p r e m es a m p l i n gf r e q u e n c yr e a c h e s4 0 m h z ， i tiss u i t a b l ef o rs h a p ec o l i e c t i o no fg e n e r a ln u c l e a rd e t e c t o ro u t p u t s i g n a l t h i st h e s isd i s c u s s e st h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ed a t aa c q u i s i i o n s y s t e mi nd e t a i1 p r o v i d e st h ec o r i c f e t es c h e m a ti cp i c t u r ea n dp r in t e d c i r c u i tb o a r dp i c t u r e s u c c e e di nd e v e l o p i n gt h ei n t e r f a c ee i r c u i tw i t h h i g h e rp r a c t i c a lv a l u e d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yf o r m i n gas e to fd s p s o f t w a r eu s e do f c o ss o f t w a r ep l a t f o r m a n di t i ss u c c e s s f u lt od e b u g t h es y s t e mi n t e g r a ti o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e s a m p l et ot h ea n a l o g s i g n a lo fd if f e r e n tf r e q u e n c yf i n a l l y ，i ni n p u tt h es q u a r ew a v eo f1 0 m h z c a s e s ，s a m p l e dr e s u l ta n di n p u ts i g n a la r eu n a n i m o u sb a s i e a t l y ，r e c e i v e t h ea n t i c i p a t e dr e s u l t + w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra n di a r g es c a l e i n t e g r a t e dc i r c u itt e c h n o l o g y ，i nm o d e r nn u c l e a re l e c t r o n i c sm e a s u r e m e n t ， u s et h es y s t e mo fv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o ne i r c u ta n dh i g h s p e e d r e a l t i m e p r o c e s s i n g s o f t w a r et or e p l a c et h et r a d i t i o n a la n a l o g m e a s u r i n gs y s t e m i ns u c hf ls y s t e m ，s 嬲p l et ot h ew a v ef o r mo ft h ew h o l e n u c l e a rs i g n a l ，t h e nc a r r yo nr e a l t i m ea n a l y s i n ga n dp r o c e s s i n g s o ， w a v ef o r ma c q u i s i t i o no f ln u c l e a rs i g n a li saf o u n d a t i o no fs y s t e m 。i t i sac o r et or e a l t i m ea n a l y s i n ga n dp r o c e s s i n gs o f t w a r e ，t h i si n t e r f a c e c i r c u i tc a nb eu s e di n a c q u i s i t i o na n da n a l y s i so ft h er e a ln u c l e a r d e t e c t o rs i g n a lw a v ef o r m ，o nt h i sb a s i s ，a d o p th i g hs p e e da dc h i p ，c a n u s e di nr a d i a t i o nd e t e c t o rq u i c kw a v ef o r mo fs i g n a ls a m p l i n g s o 。t h is t h e s i sh a s i m p o r t a n tm e a n i n g s t on u c l e a rs i g n a l s h a p es a m p li n ga n d p r o c e s s in g ，t ot h er e s e a r c ho ft h en e w t y p en u c l e a rm e a s u r i n gs y s t e m m o r e o v e r ，t h i si n t e r f a c ec i r c u i tc o o p e r a t e sw i t h p r o p e rd s pk e r n e l s o f t w a r ea n du p p e rc o m p u t e rs y s t e m ss o f t w a r e ，c a r la p p l yt oo t h e rf i e l d s ， f o ri n s t a n c et h em e d i c a ld i a g n o s i s ，i n d u s t r y1 0 s s l e s se x a m i n i n ga n d m e a s u r i n g ，e t c ，s a m p l e sa n da n a l y s e ss i g n a l k e yw o r d s ：n u c l e a ri n f o r m a t i o na c q u i s it i o na n d p r o c e s s i n g ， n u c l e a r s i g n a ls h a p es a m p li n g ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ， p c ii n t e r f a c e 删川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 核探测器信号的一般特征 在现代核物理实验中，核电子学研究的是如何处理和分析核辐射探测器给 出的电信号。这些信号携带着粒子或者相关核过程的信息。例如，信号的幅度 可能代表粒子的能量：信号的形状可能反映粒子类别；信号的时间关系可能代 表激发态寿命，或者反映出粒子飞行速度和径迹的空间分布：电脉冲信号的计 数率则代表辐射强度。所以，了解核辐射探测器信号的特征以及如何来采集这 些信号是核信息获取与处理的关键。 原子核发生衰变时会发出n 、b 、y 等各种射线和粒子，发生反应时将可 能产生各种其它粒子。为了探测这些粒子以及它们所携带的信息，人们根据射 线与物质相互作用的规律，设计研制了各种类型的射线探测器。探测器大致可 分为两个类型：径迹型和信号型。 1 径迹型探测器能给出粒子运动的径迹，有的还能测出粒子的速度和性 质。如核乳胶、固体径迹探测器、威尔逊云室、气泡室，这些探测器大多用于 高能核物理实验。 2 信号型探测器是当一个辐射粒子到探测器时，探测器能能够给出一个信 号。根据工作原理，又可分为一下几种：气体探测器；半导体探测器； 闪烁探测器。 下面把我们在实验室中用到的闪烁探测器介绍如下：闪烁探测器的工作物 质是有机或无机的晶体，射线与闪烁体相互作用，会使其电离激发而产生荧光， 从闪烁体出来的光子与光电倍增管的光阴极发生光电效应而击出光电子，光电 子在光电倍增管中倍增，形成电子流并在阳极负载上产生电信号，如n a i ( t 1 ) 单晶y 射线探测器。 以n a i ( t 1 ) 探测器为例，单个核辐射信号脉冲幅度随时间变化的关系一般可 以用下式表示： 矿“1 二l ( pr p7 r c ) ( 1 ) 四川大学硕士学位论文 其孛t 为n a i ( t d 探头瓣烁镕发光的焱凝对闯，一般为z o 2 3 扛s 。影为掇头 阳极受载彀路的时闻常数。q 是一个阳极电流脉释内所包含的总瞧荷量。 一个究整的核探测信号上升时间不到lus ，主要决定于n a i ( t 1 ) 探头闪烁 体发光的褒减时间z 。下降沿取决予撩头阳极负载电路的对闽常数r c , 一般为 2ps 左右。霹鞋话雾爨i 亥信号颓谱黥袋高额率豹l 涮 z 。实繇稳萤号波形遥鸯 噪声的影响，还有信号堆积问题等，因此，实际信号的最高频率高于l o m h z 。 一般的输出信号波彩如图1 1 所示。 蚝罅 a ) 单辐射信号输出波形 f j # b 1 信号堆积输：| ：波形 蚕1 ：粪鍪戆h a l ( tj ；探测嚣辕漤塔号波澎 1 2 传统核谱采集系统的一般方法 传统鹣孩谱数器采集系统一般掏残黧塑1 2 掰示。 菝 信 息 探测器 主放大器 搽 线性放大a y d 变换计 头 滤渡戒形 啼 幅度甄副 啼 算 前置放堆积判弃机 大器基线恢复 豳1 2 ：传统梭谱采集系统的构成 2 四川大学硕士学位论文 核辐射探测器的输出信号是携带有入射粒子与核作用过程信息的电信号， 其值一般较小，不能直接进行测量和传送，需要进行信号调理。完成信号调理 功能的是前置放大器和主放大器。前置放大器体积小，可以紧靠探测器并与探 测器构成一个整体，从而提高信噪比，使输出信号可以沿电缆传送到下一级的 主放大器。主放大器的功能是将信号放大到便于测量的程度并进行滤波成形。 主放大器要有可调的放大倍数，足够的输出幅度和功率，合适的冲击响应和频 率响应。对于幅度分析系统，主放大器的输出信号的幅度与输入信号的幅度应 成正比关系，即放大器的幅度特性具有良好的线性。这种放大器称为谱仪放大 器或线性脉冲放大器。 在核物理实验中，感兴趣的往往不是个别信号的信息，而是分布在大量信 号中的某种信息，因此需要将大量信号按一一定的信息分类计数。按幅度信息分 类就叫做幅度分析。幅度值对应的往往是能量的值，按各个幅度值的计数求得 其概率密度分布，便得到了辐射的能谱。这是核物理实验中常用的基本方法。 1 3 核谱采集的要求及设计方案 随着计算机技术与大规模集成电路技术的发展，在现代核物理实验中，信 号处理技术已经成为核信息获取与处理的核心技术之一，而信号处理的前提是 要对放射性事件或核事件产生的信号进行数据采集。传统的核测量系统如多道 分析器一般是对核辐射探测器输出信号的幅度进行采样分析，因此可能丢失很 多信息。比如通过对信号波形的区别也可能判别不同的核辐射事件，但是传统 的核测量系统难于做到这一点。对于一般的探测器如n a i ( t 1 ) ，其典型的信号上 升时间约lps 量级，整个信号宽度不到1 0us ，对于半导体探测器信号上升时 间更快，宽度更窄。因此要对这种核信号进行波形采样，第一要求a d 采样频率 至少大于l o m h z ，第二要求实时数据处理速度高。 近年来随着半导体制造工艺的发展，市售的a d 芯片采样速度高的已达到 】o o m h z 以上，可以满足要求。同时d s p 芯片的功能越来越强大，计算速度大大提 高，能完成信号的实时处理。比如t i 的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 的处理能力己达到 1 6 0 0 m i p s ，并且能很方便地实现数据的传输控制。 在当今的核数据采集方案中，高速a d 加d s p 已经成为设计的主流，因为d s p 四门i 大学硕士学位论义 的可编程性使得设计的系统具有很强的扩展性，在硬件电路设计好以后，可以 用增加软件模块的方法来增强该系统的功能。很多的高等院校和研究院所都在 设计自己的核数据采集系统，只是在与计算机的接口上有的采用u s b 接口，有的 采用i s a ，也有的采用p c i 接口。成都理工大学研制了一款1 0 0 k s p s 、1 2 b i t 的新 型现场多道核能谱采集系统，它采样串口与计算机通信。中国科学院高能物理 研究所设计的核谱采集系统是2 0 m s p s 、1 2 b i t ，采用u s b 接口”3 。 根据核探测器信号的特征，我们设计了这款基于d s p 的快信号核数据采集 卡，它以p c i 接口与主机进行通信。设计成p c i 卡的好处是：p c 机可以与d s p 组成 一个很好的主从系统，同时利用p c i 总线的高吞吐率实现主从系统间的高速数据 通信，使整个系统的性能得到很大的提高，此方案还充分体现了p c 机的灵活性 和d s p 的高速度，减小了核信号的分析时间，提高实时性，便于信号处理结果的 实时显示、记录。 1 4d s p 适合信号处理的特点 根据我们的设计方案，系统以d s p 芯片为处理核心，下面以t i 公司的d s p 芯 片为例，说明d s p 芯片适合信号处理的特点。 ( 1 ) 改进的哈佛总线结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体系结构， 其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存 储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储 器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐 率提高了一倍。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中， 因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系y l j d s p 芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存 储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在 高速缓冲器( c a c h e ) 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节 约了一个指令周期的时间。 ( 2 ) 流水线操作( p i p e l i n e ) 与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增 4 v t l 川大学硕士学位论文 强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 巧级不等。第一 代1 m s 3 2 0 处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则采用四 级流水线。也就是说，处理器可以并行处理1 8 条指令，每条指令处于流水线上 的不同阶段。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器 在一般形式的f i r 滤波器中，乘法是d s p 的重要组成部分。对每个滤波器抽 头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，d s p 处理器的性能就越高。 在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周 期来完成。相比而言，d s p 芯片的特，征就是有一个专用的硬件乘法器。在t v i s 3 2 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。从而大 幅度提高了d s p 做乘法和加法的速度。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令 d s p 有专门用数字信号处理而设置的套指令系统。 ( 5 ) 快速的指令周期 c m o s 技术、先进的工艺及集成电路的优化设计、工作电压的下降，使得 d s p ；占片的主频不断提高。c 6 0 0 0d s p 的主频已经达至t j 2 0 0 m h z ，也就是指令周期 己经降n 5 n s ，可以遇见，随着微电子技术的发展，工作频率将继续提高，指令 周期进一步缩短。 正是由于上面所述的d s p 芯片改进的哈佛结构、流水线机构、专用的硬件乘 法器、专门为数字信号处理而设计的指令系统、快速的指令周期，使得d s p 芯片 非常适合于实时的数字信号处理。也正是这种优越性，使得d s p 可以很快的处理 高速a d 采样的数据，以达到我们对实时性的需求。 心川大学硕士学位论文 第二章i ) s p 系统的集成 2 。数掌信号处璎憋实现方法 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是- i q 涉及许多学科 而又广泛成用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，隧着计算机和傣息 技术豹飞逮发嶷，数字信号处理技术应运恧生芳愆弱逯逮兹发震：在过去静二+ 十多年时阍里，数字信号处理已经簌通信等领域得到极为广泛的应用。 数字信号处理所涉及的范围极其广泛。例如，在数学领域，微积分、概率 统计、隧执过程、数馕分析等都是数字信号处理的基本工具，与网络理论、信 号与系统、控寄4 论、遥依理论、鼗障诊断等电密鞠辐关。近亲巍兴兹一些学摹睾， 如人工智能、模式识别、神经网络尊，都与数字信号处理密不可分。可以浇， 数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成 免一系列耱兴学秘懿理埝基疆。 数字信号处理的实现方法一般膏以下几种： 在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 实现： 在通用计算规系绕中加上专翻的加速处理枕实现： 弼邋露静单片梳( 如m c s 一5 1 、8 6 系魏等) 实现，这种方法可焉予一些 不太复杂的数字信号处理，如数字掇制等； 用通用的可编稷d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加适 合子数字麓号韪理懿较传窝磋锋资深，莓蘑予复杂靛数字萤号处理算法； 用专用的d s p 芯片实现。在些特殊的场合，要求的信号处理速度极 高，用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、携积、相关等算 法豹d s p 芯片，这秘蕊片蛰相应豹信号处理算法在芯片内部题硬搏实理，无篱 进行编程。 2 2d s p 系统的特点 数字稿号处理系统麓欧数字信号簸理为基础，戮蓝其育数字处瑾的全部优 点： 6 魍川太举硕士学艇论文 接口方便。d s p 系统与其憩以现代数字技术为基础的系统竣设备郝是相 互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这魑系统接口要 容易褥多； 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中 炭活方便地对较侔避行修改帮舞缓； 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性商： 精度懑； 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系 统基本不受影穗，戮照鼗字系统便于瓣试、调试帮大浚模，妻产； 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 当然，数字信号处理氇存在一定的缺点。饲妇，对于简草的信号箍瑗任务， 如与模拟交换线的瞧话接翻，若用d s p 则馒成本增加。d s p 系统中的离速时 钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。此 辨，d s p 技求爱耨豹速壅捩，数攀知识簧求多，歼发您调试工具逐不尽完善。 2 3d s p 系统设计 图2 1 是一个典型的d s p 系兢。图中的输入信号可以有各神各样的形式。 输入 瓣2 1 ：典型嚣p 系统蜘掏或 输出 输入信号善先进 亍蒂蔽滤渡辩弦稃，然磊送行a d ( a n a l o gt od i g i t a l ) 变 换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽 样频率至少窘颂是输入带限信号最高频率的2 倍，我们根据核探瓣信号的特征 选择a d 的暴撵频率。 利用d s p 芯片设计一个d s p 系统大致分以下步骤，如图2 - 2 ， 四川大学硕士学位论文 图2 2 ：d s p 整体设计框架 现对图2 2 所列各步骤做一简要说明。 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指 标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自 然语言来描述。 第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一股来说，为了实现系统 的最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不 同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法， 即数字信号处理的算法( a l g o r i t h m ) ，因此这一步也称算法模拟阶段。例如，可 以根据n a i ( t 1 ) 探测器单个核辐射信号脉冲幅度随时间变化的关系，我们可以用 数学的方法来模拟单辐射信号的波形。有些算法模拟时所用的输入数据并不一 定要是实际采集的信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也 8 凹川大学硕士学位论冀 是可班靛。 在完成第二步之霜，接下来裁可黻设计实时d s p 系统，实辩d s p 系统的设 计包括硬件设计和软件设计两个方耐。硬件设计酋先要根据系统运算量的大小、 对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗簿要求选择合适豹d s p 芯片。 然后设诗d s p 苍片静於戮毫路及荬德泡路。软 孛浚谤移编程圭黉援蕹系统要求 和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级谮言 编译器支持，也可用高级语言( 如c 语言) 编程。由于现有的搿级语言编译器 载效事还魄不上手工缡髯汇编语言筑效率，嚣我凌实际痤薅系筑中耄常采攘麓 级语言和汇编语言的混合编程方法，即在算法运算莹大的地方，精手工编写的 方法编写汇编语言，丽逐算量不大的地方则采用黼缀语言。采用这种方法，既 可缩短软件开发的周期，提高程序的薅读性和可移植性，又能满足系统实对运 算静要求。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试 一般借助y - d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。调试 d s p 算法黠簸幕翅跑较实薅结果与模攘结票弱方法，热象实瓣程序蟊模数穗 乎的输入相阍，则两者的输出应馥一敬。应用系统的其他软件研以根据实际情 况进行调试。硬件调试般采用硬件仿真器进行调试，如果没肖相应的硬件仿 真器，且硬件系统不是十分复杂，逛可阻借助予一般的工具进行调试。 系统静软件和硬彳串分澍谲试完成后，就可l 蔓褥较俸貌离开发系统焉壹接旋 应用系统上运行。当然，d s p 系统的开发，特别嫩软件开发是个需要反复进 行的过程，匿然通过算法模拟基本上w 以知道实时系统的性能，但实际上模拟 蓼境不霹麓敢娶与实对系统强境完全一致，瑟盈将模羧雾潼移簸餮实瓣系绞辩 必须考虑算法是否能够燕时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上寅 时运行，则必须重新修改或简化算法。 最后载碍疆根据需求恕设计任务髓转亿为量化的技术指标，结合d s p 系统 的设计，这鳖技术捂标主要包括： 由信号频率的带宽决定的系绞采样频率： 在所用采样频率下，估计完成任务书中复杂豹算法所需最大时间，报攒 系统对实辩麓凄兹要求翔叛掰最诗懿系统戆否完成工终。 由数据量及程序的长短决定片内r a m 的容撼，是否需要扩展片外r 删以 9 叫川大学硕士学位论文 及决定片外r a m 容量。 由系统所需要的精度决定是1 6 位还是3 2 位，是定点还是浮点运算。 根据系统的需求，确定各外围器件。 由上述的一些指标可以夫致确定d s p 芯片和外围器件的型号。 2 4d s p 芯片 d s p 芯片，也称数字信弓处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运 算的微处理器，其主要应，e f j | 是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 醛片一般具有如下主要特点： 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法： 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问： 具有低丌销或无开销循环及跳转的硬件支持； 快速的中断处理和硬件i 0 支持： 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作： 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了 d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯 片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场 合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择 d s p 芯片时应考虑到如下诸多因素。 1 d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的个最重要的性能指标， 也是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用 以f 几种性能指标来衡量： 指令周期：即执行条指令所需的时间，通常以n s ( 纳秒) 为单位。如 t m s 3 2 0 c 6 2 0 0 在主频为2 0 0 m h z 时的指令周期为5 n s ； m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一 个指令周期内完成一次乘法和加法操作，如t m s 3 2 0 c 6 2 0 0 的m a c 时间就是 四川大学硕士学位论文 5 n s ： f f t 执行时间：即运行个n 点f f t 程序所需的时间，由f if f t 运算 涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片运算能力的一个指标； m i p s ：即每秒执行百万条指令。如t m s 3 2 0 c 6 2 0 0 的处理能力为1 6 0 0 m i p s ，即每秒可执行1 6 0 千万条指令： m o p s ：即每秒执行百万次操作。如t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的运算能力为 2 4 0 0 m o p s ： 2 d s p 芯片的硬件资源。不同的d s p 芯片所提供的硬件资源足不相同的， 如片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接 【= _ | 等。即使是列一系列的d s p 芯片( 如t i 的t i v l s 3 2 0 c 6 2 x 系列) ，系列中不同 d s p 芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。 3 d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的丁f = 发过程中，开发工具是必不可 少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能 的。如果育功能强大的开发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时问就会大 大缩短。所以，在选择d s p 芯片的同时必须注意其开发工具的支持情况，包括 软件和硬件的开发工具。 2 5 t m s 3 2 0 0 6 2 0 0 简介 t m s 3 2 0 c 6 2 0 0 是美国t i 公司1 9 9 7 年发布的新一代d s p s ，它是一款3 2 b i t 定点数字信号处理器，它最主要的特点是在体系结构上采用了v e l o c i t l ( v l l w ， v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结构。 v l i w 体系结构d s p 中，是由一个超长的机器指令字来驱动内部的多个功 能单元的。每个指令字包括多个字段( 指令) ，字段之间相互独立，各自控制一个 功能单元，因此可以单周期发射多条指令，实现很高的指令级并行效率。编译 器在对汇编程序进行编译的过程中，决定代码中哪些指令合成一个甚长机器指 令，在一个周期中并行执行。这种指令上的并行安排是静态的，一一旦决定，无 论d s p 任何时候运行，它都保持不变。v l i w 体系结构也可以看做是一种依赖 于编译器的超指标量实现方案，而且比一般的超指标量结构更易于实现。c 6 2 0 0 四川大学颤i 学位 仑义 鹣v l i w 袋翔了类r i s c 籀令集，搜删大豹统一。的毒存器壤，臻抟谡整，其蠢 潜在酶编译住和良好的编译性熊，在科学应用领域可以发挥良好静作餍。 以c 6 2 0 5 为例，介缁c 6 0 0 0 系列内部结构的主要特点： 定点d s p ，c p u 主频2 0 0 m h z 。 受存v e l o c i 强鬼避v h w 缝稳两棱。 8 个独立的功能雄元，六个a l u ( 3 2 4 0b i t ) ，2 个乘法秣( 1 6 1 6 ) ： 可以每周期执行8 条3 2 b i t 指令，鼹大速度1 6 0 0 m i p s ： 专瑙存取结构，3 2 个3 2 b i t 逶鲻寄存器： 指令打包技术，减小代码容羹： 片内集成大容量s r a m ，可达l m b i t 。 3 2 b i t 高性能外部存储器接口( e m i f ) 提供了与s d r a m 、s b r a m 、秘 s r a m 等露步雾步存储器翁纛接绩墨。 集成了一个3 2 b i t 、3 3 m h z 的p c i 主从模式接口，符合p c i 2 2 规范。 两个多通道缓冲窜口( m b b s p s ) 。 秀令3 2 b i t 熬逶瘸定露器。 支持i e e e 1 1 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口。 内桉采用l ，5 v ，阚边i o 采用3 3 v 供电。 2 8 8b g a 球拯阵列封装。 鑫腹2 0 整纪蔼年代表8 0 年代襁d s p 芯片诞生戳寒，d s p 芯片褥到了飞 速的发展。d s p 芯片的高速发展，一方面得益子集成电路技术的发展，另方 面也得益于飚大的市场。猩近2 0 年时糊瞿，d s p 芯片已经在信号处理、通信、 霉达等许多犊域褥裂广泛豹应雳。翼；l 誊，d s p 芯片瓣徐硌越来越煞，萑麓癸辏 比日益提高，典有巨大的应用潜力，而我们正是用利用d s p 芯片强大的数字信 号处理功能如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分 辑、卷积、模式匹配、热鬻、波形产生等，来处理攥测器经放大、滤波残形、 a d 转换蓐的孩信号。 随着d s p 芯片性能价格比的不断掇高可以预见d s p 芯片将会在更多的领 域内得到更为广泛的应用。 2 明川人孥颤 学健论文 第三章d s p 数据采集卡的硬件电路设计 数据采集卡的硬件电路逻辑主要包括a d 转换器、触发电路、f i f o 、控制 电路、d s p 、p c i 接口等缀成。 3 1 系统疆件设计框图 系统硬件设计框图如图3 1 所示，由以f 几部分组成： ， l 时钟l i 。 c l o c kr e n c e i 7 院拟输入 h 、f i f o求c l k a r e a d c d ea o e 蛰s p h f n t 5 。 ( c 6 2 0 5 ) i n r 一。 i s c l 】( x 叫胍il 1 1 j n cf s r x 9 3 1 3 1 1 , 1 i dc l 强 图3 ：系统结构框图 p c i 总 线 探测器输出的模拟信弩经a d 转换进入f i f 0 ，d s p 经m c b s p 串口由x 9 3 1 3 数 字电位器输出一模拟信号，当探测器输出的模拟信号大于数字电位器输出时， 经l m 3 9 7 电鬈院较器产生魅发信号，i ) s p 根据触发德号窝f i f 0 瓣标志信号采 决定读取f i f 0 中的数摇以及如何读取数据，触发的正负延迟由软捧来进行设计。 t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 d s p 片内集成了一个主从模式的p c i 接口，数据由d s p 处理后经 p c i 总线实现d s p 和主机的互连。 孩心舞法黎努：以骶公司懿粼s 3 2 0 e 6 2 笛焱理器走援心楚理单元，笼 成核信号的滤波算法以及外围器件的控制工作。 探测器模拟信号接网部分：以a n a l o g 公司的a d 9 2 2 4 作为a d ，完成外 四川大学硕士学位论文 鄄模拟信号的数字化；以t l 公司的s n 7 4 v 2 4 5 为f i f o ，f # 为a d 输入豹缓存。 p c i 总线接疆熬分：t l 公司懿t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 片内集成了一个主，双禳式 的p c i 接口，通过p c i 总线能够实现d s p 与p c i 燕机的互连。 触发电路部分：通过t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 的多通道缓冲串口m c b s p 来控制 x 9 3 1 3 数字魄位嚣，蕨蠢馒l m 3 9 7 产生艇发信号。 其它外部接口：主要包括电源管理，时钟产生，各种接口控制等。 3 2 蓠怒遴道的接爨设计 数据采袋卡的核心部分是d s p 芯片，但是d s p 芯片能处理的信号必须是数 字的，而实际探测器输出的信号是模拟信号，这就需瑟前向通道将d s p 和实际 搽测器连接越来。瑟锾d s p 静兹囱通邋就是将探测器竣出兹摸熬信号转让为数 字信号的通道。这一通道镪括探掼l 器、信号调理系绞、a d 粟样等。探溅器将 核辐射事件转化为一定藏闰内的电压偿号，信号调理主要是将探测器输出的电 压信号进行放大、滤波或运算，得到满足a i d 采样芯片需求的储号。我们设计 弱萋予d s p 瓣菝搽溺波形慕集卡是对搽溯器输出瓣耱号经藏丈螽瓣采样签璎， 以n a i ( t 1 ) 探测器为例，个完整的棱探测信号上升时间不到lus ，主要决 定于n a i ( t 1 ) 探头闪烁体发光的衰减时间t 。下降沿鞭决于探头阳极负载电路的 辩翘辜数鼢一般为2 ps 左右。可蔽继舅出该萤号频谱翡最薅频率豹1 0 m h z 。 实际的信号波形还有噪声的影响，还露信号堆积闻蹶等，因茈，蜜际信号的最 高频率高于1 0 m h z 。根据抽样定理，抽样频率必须至少达到2 0 9 h z 。我们的设计 中用到的模数转换器为a n a l o g d e v i c e s 公司的a d 9 2 2 4 ，宅的采样频率为4 0 m s p s ， 缝够达到要求， 3 2 1 a d 9 2 2 4 模数转换嚣 翘转换器爰题a n a l o gd e v i c e s 公试翡a d 9 2 2 4 ，转接谴数1 2 b i t ，采撵速 度4 0 m h z ，低功耗。它的快速、高分辨搴使得它适合应用于图像处避、高速数耀 采集、通信椁很多领域。 四川大学硕士学位论文 图3 2 ：采样时序 信号在时钟的上升沿采样，采样屠的数据由b i t o b i t l l 输磁，该a d c 输出 无高阻状态。如果模数转换器直接与d s p 总线相连拨d s p 就很难使用其它外围 设善了，丽爨d s p 在每个转换时钟周嬲必须读次袋撰数据。即躞使用d m a 通 道传辕，这识是缓难实现的，霹为其它翡夕 交设备恣鬻使雳总线。 一个比较好的解决办法是使用f i f o 作为输入缓冲。a d c 把采样转换的值同 步写进f i f o ，当写进一块数据的时候，向d s p 发出一信号，d s p 从f i f o 中读走 数据袭。这稃磁单次读熬效率要凌稷多。 3 2 2e m l f 接口设计 e m i f 是夕 部存储器和t m s 3 2 0 c 6 2 0 5 片内其它单元躲接口，c 剐访阿片外存 储器辩必须避过e m i f 。t m s 3 2 0 c 6 2 0 5d s p 的e m i f 其露缀强的蔹霹麓力，可鞋与 目前几乎所荫类型的存储器直接接口。 先进先如存储器( f i f o ) 大致可以分为3 种类烈：异步f i f o 、触发f i f o 秽舞步f i f o 。这些f i f o 觳都提供状态售号，包摇奎拣恚e f 、瀵据忘f f 鞠 半满标志h f 。另外，大多数的f i f o 还提供专门的篱脚信号用于深度扩展和字 长扩展。本节针对我们使用的t i 公司的s n 7 4 v 2 4 5 做麓点说明。 s n 7 4 7 2 4 5 是毫速，低功耗c m o s 霹镑f i f o 存镑器。它是一款鄹步f i f o ，最 大的特点是嚣舞读时锋( r c l k ) 和写时钟( w c l k ) ，麓它控箭信号包括读使鼹 ( r e n ) 、写使能( w e n ) 和输出使能( o e ) 。一旦w e n 有效，数据将在w c l k 黔上升沿写进f i f o ；如果r e n 和o e 有效，将在r c l k 的每个上升溉触发读操作。 它豹读写端弱健惩蘑多接瓣，每一个臻鞘豹霹镑蒸楚嚣稳独立豹，这些露耱霹 以同步也可以异步。这使得f i f o 的读翳口能以不同的速度运行。传统的f i f o 黼 燃 薹喜 嘴 燃 薹薹 四川大学硕士学位论空 在进行数据传输时通常要求额外的控制逻辑，新一代的s n 7 4 v 2 4 5 允许f i f o 与 d s p 之间的无缝连接。 s n 7 4 v 2 4 5f i f o 提供了一个与d s p 的无缝连接，这样的无缝连接要求f i f o 作为一个输出缓冲器，如果是作为输入缓冲器，此时f i f o 应该是e m i f 的唯一 异步设备。我们的设计恰好是让f i f o 作为输入缓冲器，而且就此一个异步设备， 避免了使用复杂的接口逻辑。图3 3 为e m i f 与f i f o 接口的具体硬件实现，f i f o 的半满标志h f 作为d s p 的输入信号。h f 告诉d s p 此时f if o 中的有效数据是可 以读取的( 而且容量是f i f o 总大小的一半) ，d s p 产生一个中断来读取f i f o 中 的数据块。 口u s m c 6 2 0 j s h 7 4 v 2 4 5 v c ( b 四l d_ r s m o d e _ a r er c i xw a o e o ef l 。 i h t r 口r _ j m i n ( 1 ) 根据公式( 1 ) ，当程最差的情况下，建立和触发时间必须要大于1 5 n s ( 4 n s + ? n s + 4 n s ) 。d s p 静辩辨频率是2 0 0 m h z ，一个霹镑岗麓应该是5 n s 。如果s e t u p 和s t r o b e 盼值都取l ，则s e t u p + s t r o b e = l o n s 不能够完成盼黟的要求，殿 此s e t u p 和s t r o b