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基于DSP和CPLD的高精度基因数据A/D采样、传输系统
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A High Precision DSP and CPLD-Based Gene Data
A/D Sampling &Transmission System
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■华东师范大学信息学院电子科学技术系 孟海燕 姚 萌
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引言
随着科学技术的不断发展，数据采集芯片的精度和速度大大提高，以及DSP的高速数据处理和CPLD在系统上的灵活应用，使得数据采集系统精度更高、速度更快、工作更有效。将这种新型采样技术应用于生命科学领域，特别是在基因检测方面，生命科学工作者提供了高效地、大规模获取相关生物信息的重要手段。而基因分析需要将微小基因结构上的大量数据采集下来。随着基因信息的提高，所用反应物量的减少，其产生的信号也越来越小，因而，对高精度检测器的要求迫在眉睫。本采样系统正是为解决该问题而研制的基因芯片扫描仪（高精度扫描仪）的数据采样、传输系统模块，该模块也可以应用于其它高精度数据采集系统中。
采样传输系统模块
本系统模块是一个基于ISA总线的高精度数据采集传输系统，采样精度为16位，速率可达200k点/s。该系统主要目的和任务是在上位机控制下，对基因信息经过光电转换后的模拟信号进行采集，并以一定的通信格式通过ISA总线送给上位机，存储于硬盘。本系统模块由信号预处理与A/D、DSP、D/A、CPLD与接口等组成。各个数据总线之间有数据缓冲隔离，防止数据串扰引起的系统不稳定。板上还带有8位可调节开关，供使用者调整采集卡I/O地址使用，避免与上位机其它硬件地址冲突。
信号预处理与A/D
以ADI公司的AD976为模数转换核心，模拟信号来自于光电倍增管（PMT）。A/D采样的控制信号由外部输入的光栅信号经过CPLD逻辑组合后得到，通过DSP控制A/D。数据在进入A/D前经预处理，
输入模拟信号经隔离、增益控制以及滤波处理。在预处理中根据数据实际情况采用4组T型滤波网络，由DSP控制调整，以获得最佳采样信号。
DSP
TMS320VC5410是美国TI公司生产的高速定点数字信号处理器（DSP），它包含一条程序存储器总线和三条数据存储器总线，具有低功耗设计和高度并行性等特点，指令执行速度极快。DSP芯片在系统中主要是将A/D转换后的基因信息在送入上位机前，进行数据整理、标记、打包以及数据预处理。DSP还对A/D进行滤波器选择和采样增益控制和D/A输出信号幅度控制。外挂FLASH，用于存放DSP应用程序，在上电时程序采用并行方式调入DSP内部执行，也可采用从主机上通过ISA总线连接HPI口下载程序。
D/A
D/A主要功能是根据采集的基因数据信号大小，输出控制信号，调节光电倍增管（PMT）的增益。其数模转换由MAX507实现。
CPLD与接口
在设计系统时，考虑到系统的冗余设计和方便以后系统的优化，采用XILINX的CPLD--XC95216，整个系统的输入和输出逻辑组合都由CPLD产生。
CPLD实现的主要功能为，ISA接口的数据、地址和控制总线都连入了CPLD，进行编译码和连接，再由CPLD输出连向DSP，使接口更加灵活可靠；DSP控制D/A，隔离器，滤波网络的控制线送入CPLD，可以进行逻辑组合，节省DSP的I/O资源；外部输入的光栅信号经过CPLD逻辑组合后得到A/D采样的控制信号；采样卡I/O地址的逻辑组合（8段拨码开关）；ISA槽和DSP的中断信号输入CPLD，可以通过I/O口实时控制哪个信号接入；哪个中断，有较高灵活性。
用于数据通信的HPI
TMS320VC5410可以使用HPI（Host Port Interface）接口方便地与主设备交换数据，而且几乎不需要增加额外的器件。扫描仪采用这一接口实现了采样、传输系统模块与上位机的通信。
C5410的HPI实际上是一个8位并行端口。上位机可以通过它直接读写DSP的片内RAM，对于C5410来说是全部64K RAM。主机可以随时访问。当DSP与上位机同时访问同一地址时，上位机优先。C5410的CPU为16位，HPI只有8位数据线，访问时需以字节为单位进行操作，由片内HBIL控制。HPI的控制引脚都是专用的，这在物理上保证了HPI访问和DSP芯片其它操作的并行性。它的数据线在无上位机访问时为高阻态，可以直接挂在主机的数据总线上，不需附加开关、驱动电路，在硬件设计上很简洁。
C5410的HPI与ISA槽的接口连接图如下：
系统模块与ISA槽的连接均通过CPLD，译码器也由CPLD完成，这样使电路更具保密性，防止系统复制，系统电路设计成功率更高。
数据采集存储与上位机通信
采样、传输系统模块数据通信初始化：
开机上电时，C5410从FLASH上下载程序（或通过HPI口从主机上下载程序），运行，初始化C5410各个端口即初始化采样、传输系统模块。然后等待上位机的命令。首先，上位机在C5410的公共通信区上写入命令，如采样的行数、列数以及其它相关参数；然后由
C5410访问公共通信区，获取上位机写入的命令信息，并在通信区特定区域写入收到信息；当上位机发现C5410数据已读，且机器其它部件工作就绪，则在通信区写采样命令，中断C5410；C5410访问通信区，接受命令，采样开始。
A/D采样过程：
系统A/D采样的深度为最大5千个点/行，最多2万5千行。由于A/D采样的精度为16位，而DSP内部数据单位为16个比特（BIT），所以每个采样点占DSP存储器的1个字（WORD）。一行最多存储信息量为5k加上数据识别标记字节256字节（DSP在每行A/D采样后对数据加识别位）。C5410含有64k
RAM，用于存放和运行程序所需的空间（小于30k word ），与上位机通信的部分保留存储空间（5k word）和需与上位机传输的数据。
基因扫描过程呈Z字型，即在每一行末（拐角）时，伺服马达将减速，调头，下一行的扫描方向与前一行相反。扫描一整行的时间为25ms，考虑到系统的冗余，设定一行时间为30ms，并以同步信号触发A/D采样。每一行末的扫描拐角需10ms，C5410所用晶振为20MHz。利用HPI传输速率不低于32Mbps，那么传输一行数据的时间不到1ms，将与上位机握手和数据传输放在这段时间，在时间上充分体现出系统效率。
数据传送过程：
C5410给上位机发出一个中断信号，提示上位机接收数据。上位机响应并在C5410设定的RAM通信区内标记字节置位，表示上位机准备就绪。C5410把一行待传输数据存放在设定的数据区，由上位机访问获取。然后上位机将标记字节复位，完成一行数据传输过程。如果C5410与上位机通信失败后，C5410将通信区设置采样失败标志，并再次中断上位机，终止数据采集。通信结束后数据存储于上位机硬盘，并由上位机对数据进行组装和再处理。
系统工作流程
采样、传输系统的工作流程主要就是靠C5410来实现的，C5410的工作流程如图3所示。
结论
基于DSP和CPLD技术的高精度基因数据A/D采样传输系统，充分利用了 TMS320VC5410的HPI口功能，实现了一种新颖的高速传送数据的系统内部通信方式。自定义了采样传输系统与上位机的通信协议，实现了DOS和DSPs的底层开发和系统程序的自主开发。使用CPLD使系统更具保密性，而且系统在不更改硬件的条件下，可通过修改CPLD、DSP和上位机程序来实现系统功能增加和系统的升级改进。高精度基因数据A/D采样传输系统在基因扫描仪（高精度扫描仪）中证明是可行而且有效的。该系统也同样可以应用于其它各种高精度数据采集系统。
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