数字示波器之DMA高速数据采集方案设计

本刊前两期给出了数字示波器DIY制作方案，第一篇集中介绍了LCD绘图显示，第二篇介绍了模拟信号调理，完成这些内容学习之后，读者可能会发现一个致命的问题，那就是高速数据采集，前面给出的方案是基于MCU控制的ADC，这种方案致命的缺陷是数据采集的速度慢，对频率稍高的信号无法有效采样，本篇将介绍一种MCU加CPLD控制的DMA高速数据采样方案。

一、传统低速数据采集

传统MCU控制的ADC数据采集原理框图如图1所示，MCU运行驱动程序控制ADC循环转换，每次转换通常由启动、查询等待、读取数据、写入RAM几个过程，每一个过程都需要CPU执行若干指令来实现，这样的数据采集不仅受ADC速度，尤其是受到MCU运行速度影响，通常只能做低速数据采集。

二、DMA数据采集

DMA也就是DirectMemoryAccess简称，是直接内存存取的意思，DMA的主要优势是可在无CPU干涉的情况下进行数据的交换，可以将ADC的速度发挥到极致。基于MCU加CPLD控制的DMA原理框图如图2所示。MCU通过对CPLD的控制，实现让出数据总线，由CPLD时序逻辑电路控制AD循环转换并将结果直接存储到RAM中，这个循环过程是纯硬件电路实现的，因此速度快，不受MCU速度影响。MCU查询到一帧数据采集完成后，再夺回数据总线，从RAM中读取数据，处理数据并显示波形。

下面我们结合具体的器件来介绍这种DMA方案，ADC器件选择TLC5510，RAM选择UT62256，32KSRAM。

TLC5510是美国德州仪器公司生产的８位半闪速结构模数转换器，它采用CMOS工艺制造，可提供最小20Msps的采样率。

TLC5510的工作时序图如图3所示，时钟信号CLK在每一个下降沿采集模拟输入信号。第Ｎ次采集的数据经过2.5个时钟周期的延迟之后，在时钟上升沿将转换得到的结果送到内部数据总线上，在时钟其他时间段数据保持不变。可以看到，该器件可以在20MHz时钟信号驱动下以20MHz的采样率采集数据，平均获得一个数据只要0.05μs。

　　RAM数据写入时序图如图4所示。RAM的写入条件是具备确定的地址ADDR，CE=0，WE=0，OE=1；数据线上的数据将被写入RAM内部相应的单元。

综合TLC5510的工作时序和RAM的写入时序，提出如图5所示的驱动过程。基于同一个时钟信号驱动，在时钟下降沿①、低电平②、上升沿③、高电平④4个节拍中，同步实现AD转换和数据写入RAM。

数据写入RAM后，还要能够被MCU从RAM中获取，RAM数据读出时序如图6所示。

从图中看出，当CE=0；OE=0时，RAM将地址选择的内部单元数据输出到数据总线从而可以被MCU读取。

这里有一个问题要考虑清楚，为了实现ADC结果直接存入RAM，已经将5510的数据线和RAM的数据线直接相连了，现在还要将MCU的数据线和RAM的数据线相连，会不会出现数据冲突？其实只要器件数据线具有三态功能，就能够实现数据线分时复用，通过控制电路实现数据总线上某阶段只能有一个数据输出源，例如当ADC直接给RAM存入数据时，MCU要让出数据总线，当MCU读取RAM数据时，ADC要高阻态隔离数据总线。

三、控制电路设计

控制电路原理如图7所示，在MCU的控制下，RAM和ADC的控制信号通过多路选择器选择与MCU总线模式或DMA模式相连，这两种模式被MCU完全控制，可以自由切换，当选择DMA模式时，MCU首先要让出数据总线，确保ADC与RAM占用数据总线，此时，RAM的地址由地址计数器产生，RAM_CE=0（片选有效）；RAM_OE=1（禁止读）；ADC_OE=0（内部数据总线上的数据直接输出到外部数据总线上）；RAM_WE与ADC_CLK、地址计数器共用同一时钟信号，按图5中4节拍实现AD转换后数据直接存储到RAM中，DMA过程在MCU清零地址计数器后开始，没一个时钟周期AD输出一个数据直接存入RAM，同时地址计数器加1，当地址计数器溢出后被MCU检测到则表示一帧数据采集完成。

一帧数据采集完成后，MCU切换到MCU总线模式读取RAM的结果，这时RAM_CE=0（或接MCU地址引脚）；RAM_OE=RD（MCU读控制信号）；ADC_OE=1（禁止ADC数据占用数据线）；RAM_WE=WR，ADC_CLK=0，这时MCU可以自由读取RAM。

图7所示逻辑电路用硬件描述语言在CPLD上实现非常方便，请读者吸收DMA设计思路后自己完成电路设计。

四、结束语

笔者完成的DMA高速数据采集卡对2MHz、1MHz的正弦信号采样并绘图效果如图8（a）、（b）所示。对于低于1MHz的正弦信号采集后能够非常光滑清晰的还原出正弦波形。在CPLD内部时钟精确分频后还可以实现多频点采样，例如20MHz采样，10MHz采样，1MHz采样。