基于dsp数据采集的设计

基于dsp数据采集的设计内容摘要：

电路、 JTAG 接口、 DSP 外部扩展存储器的接口电路以及 DSP 和 USB 的接口电路等。 第四章介绍了系统的软件流程图，并分成 DSP 设计和 USB 设计俩大部分对系统的软件实现方案进行了分析，并对 DSP 初始化以及 DSP 和 USB 的接口软件设计进行了详细的论述。 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 第 2章 系统的实现方案 采集处理系统分析 本 数据采集处理系统采用内部有模数转换起的 DSP 作为主处理器，这是一种结构简单、功能强大、经济实用的多通道高速数据采集处理 系统，不仅具有数据采集与传输功能，同时具有运动控制功能。 它由机械运动、传感器、数据采集、数据处理等几个部分组成。 它通过传感器部分将光学标记信号转化为电信号，再通过数据采集部分将电信号转化为数字信号，并由数字信号处理部分进行相应的处理，根据采集到的数据结果来控制设备进行相应的运动，并且将采集处理后的结果传诵到计算机系统。 根据设计要求，结合目前市场使用情况，本系统选用 TI 公司新近推出的专门用于控制领域的 TMS320F2812。 这是一款 32 位 DSP 芯片，它的体系结构是专为实时控制及实时信号处理而设计，其所配置的 片内外设为本系统提供了一个理想的解决方案。 其中它的通用 12 位 16 通路 A/D 电路、定时器、脉宽调制PWM 电路、捕捉器、光电编码器、串行通信接口、看门够等片内外设为 DSP应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了丰富的资源。 图 21 系统的总体设计 框图 本系统 是一个高速信号采集处理系统，其基本结构如图 21 所示。 系统的工作流程为：本数据采集处理系统通过 USB 接口接受 PC 机命令，进行数据采集与数据传输；启动步电机控制传感器采集数据然后变为电信号；再 经过信号调理达到 DSP 的输入电压标准后，使用 F2812 芯片内部的模数转换模块（ ADC）进行数据的采集及 A/D 转换；转换后的数据预先存储到片外的 RAM中，再经 DSP 进行前端的数字信号处理后，通过 USB 总线传给上位机，并在上位机上进行存储、显示和分析。 根据系统各部分的功能的不同，可将系统分为输入信号调理模块、数字信号处理模块和 USB 模块。 期中输入信号调理模块主要是对被采集的模拟信号进行调理（ 如电平变换和滤波 ） ，以满足数字电路对信号的要求；数字信号处理模传感器 TMS320F2812 步进电机 电源 SRAM USB 上位机 信号调理 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 块是对输入的电信号进行采集和处理，主要由 DSP 和一些必要的 外设组成，DSP 负责数据采集及一些实时处理，同时要完成系统的逻辑和时序控制； USB模块则将 DSP 处理完的结果传送到上位机上去进行显示、计算和分析。 该系统完全可以满足信号采集处理对高精度及实时性的要求，由于系统的数据量较大，因此需要一种高速的数据传输方式，而 总线传输速度快，能达到480Mbit/s 的速度，满足了本系统数据传输的需要。 该系统要求采样的精度到 8位数字量，用 F2812 自带的 ADC 模块就可达到很好的效果，省去了专用的ADC 芯片，使系统的时序控制变得简单，从而降低了系统的复杂性，也节约了成本。 系统的器件选型 本系统 设计的目的在于开发体积小、成本低的采集处理系统。 所以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面尽可能减少系统资源的冗余，提高系统的集成度。 微处理器的选型 目前 的微处理器分为通用处理器、单片机和 DSP 三大类。 DSP 与单片机、传统的通用微处理器相比具有很大的优越性。 与目前普遍采用的单片机相比，DSP 具有较高的集成度并具有更快的运行速度， DSP 器件比 16 位单片机单指令执行时间快 8~10 倍，在乘法处理上， DSP 的优势更为明显，完成一次乘累加运算快 16~30 倍。 这一性能决定了 DSP 的应用领域主 要集中在较复杂的算法处理中，如：数字图象处理、数字语音编码等领域 ，而单片机则主要用于工业控制等对处理速度和处理性能要求较抵的环境 [7]。 DSP 芯片也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。 DSP 芯片是实现数字信号处理技术的硬件支持，是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带，随着全球集成电路事业的发展，美国的 TI 公司成为世界上最大的 DSP 芯片供应商，其 DSP 市场份额占全世界份额近 50%，其 DSP 产品根据功能氛围 三个系列 TMS320C2020 系列， TMS320C5000 系列，TMS320C6000 系列，本系统选用的就是 TI 的 2020 系列的 TMS320F2812 芯片。 随着信息技术的不断发展 DSP 必将得到更加广泛的应用。 通用 DSP 芯片一般具有如下主要特点 [810]： 1． 多总线结构。 世界上最早的微处理器是基于冯诺伊曼结构的，其取指令、取数据都是通过同一条总线完成的，因此必须分时进行，在高速运算时，往往传输通道上会出现瓶颈效应。 而 DSP 内部采用的哈佛（ Harvard）结构，它在片内至少有四套总线；程序地址总线、程序数据总线、数据 的地址总线和数据的数据总线。 这中分离的程序和数据总线，可允许同时获得来自成局存储器的指令字和来自数据存储器的操作数而互不干扰，这样使得其可以同时对数据和程序进行寻址。 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 2． 指令系统的流水线操作。 在改进的哈佛结构的基础上，大多数 DSP 芯片又引入了流水线操作以减少每条指令的执行时间，从而进一步增强处理器的楚剧处理能力。 在执行本条指令的同时，下面的指令已依次完成取操作数、解码、去指令操作，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间。 3． 专用硬件乘法器。 硬件乘法器功能是 DSP 实现快速运算的重要保障。 在一 般计算机上，算术逻辑单远（ ALU）只能完成俩个操作数的加、减法及逻辑运算，而乘法（或除法）则由加法和移位来实现。 而 DSP 器件配有独立的乘法器和加法器，单个周期可以完成相乘、累加俩个运算，大大提高了运算效率。 4． 快速的指令周期。 CMOS 技术、先进的工艺及集成电路的优化设计、工作电压的下降（ 5V， ， ），使得 DSP 芯片的主频不断提高。 目前 C64 DSP 高速时钟已达。 随着微电子技术的发展以近 RISC 设计思想在DSP 芯片设计和生产中的全面体现，工作频率将继续提高，指令周期进一步缩短。 DSP 的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、片内的资源，如定时器的数量、 I/O 口的数量、中断数量、 DMA 通道数等。 DSP 的主要供应商有 TI， ADI， Motorola， Lucent 和 Zilog 等，其中 TI 占有最大的市场份额。 而 TMS320F281x 系列数字信号处理器是 TI 公司最新推出的数字信号处理器，该 处理器是基于 TM320C2xx 内核的定点数字信号处理器 [11]。 器件上集成了多种先进的外设，代码和指令与 F24x 系列数字信号的处理器完全兼容。 F28x 系列数字信号处理器提高了运算精度（ 32 位 ）和系统的处理能力（达到 150MIPS）下面列出 TMS320F2812 的主要特征： 1． 采用高性能静态 CMOS 技术，主频达到 150MHZ（时钟周期 ）， 核心低电压设计。 2． 高性能 32 位 CPU，哈佛总线结构， 4MB 的程序 /数据寻址空间。 3． 存储空间： 18k 16 位 0 等待周期片上 SRAM 和 128K 16 位片上FLASH（存储时间 36ns）； 3 个独立的片选信号，最多 1MB 的寻址空间。 4． 丰富的片内外设：  俩个事件管理器 EVA 和 EVB，每个事件管理器模块包括定时器、比较器、捕捉单元、 PWM 逻 辑电路、正交编码脉冲电路以及中断逻辑电路等；  一个模数转换模块 ADC（ AnalogtoDignal Converter）；  3 个 32 位的 CPU 定时器； 2 个异步串行通信接口 SCI（ Serial Communications Interface）；  一个高速同步串行口 SPI（ Serial Peripheral Interface）；  最高通信速率可达到 1Mbps 的增强型 CAN 接口（ Enhanced Controller Area Network）；  多通道缓冲串行接口 McBSP（ Multichannel Buffered Serial Port）； 哈尔滨理工大学学士学位论文 8  56 个通用目的数字量 I/O 即 GPIO 模块；  一个 标准 JTAG 接口 (仿真接口 )； 5． 三个外部中断，可扩展的外设中断模块支持 45 个外设中断源。 6． 功耗低； 128 位的安全密码。 7． 工作环境温度： 40~85 摄式度。 图 22 TMS321F2812 的功能框图 本系统选用 TMS329F2812 作为主处理器主要基于以下几点考虑，首先它的主频高，可以满足系统的需要；其次它本身具有 ADC 模块和片内的大容量 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 FLASH 方便系统实现、降低成本；有着较多的 I/O 可以灵活的配置，多达 56个可配置通用目的 I/O 引脚，可以很方便的实现系统对 USB 接口时序控制。 另外 F2812 芯片采用典型的哈佛结构，片内有六条独立、并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力；同时精的指令系统、八级流水线的操作方式和 的指令周期使得系统的运行速度特别快；系统采用高性能静态CMOS 技术，功耗非常低。 所以本系统选用 TMS320F2812 作为主处理器，如图22 是这款芯片的功能框图。 本系统用到模数转换器就是这款 DSP 的片上自带的模数转换模块 (ADC)。 它带有俩个 8 选 1 多 路切换器和双采样 /保持器的 12 位的、具有流水线结构的模数转换器。 模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关 (MUXs)、采样 /保持 (S/H)电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。 模数转换单元的数字电路包括可变成转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片的外设总线的接口以及其他片上模块的接口。 该模块有 16 个通道，单通道转换的见是 80ns，故 DSP 的最大采样速度可达到。 当然系统也可采用专用的 ADC 芯片，如 6 通道 16 位的 ADS8364 模数转换芯片、 8 通道 14 位的MAX125 模数转换 芯片。 若 F2812 芯片自带的 ADC 模块无法达到系统所要求的精度，则要采用外扩模数转换芯片的方案，而本系统对采样精度要求达到 8位即可， F2812 芯片能够满足系统要求，在第三章第一节有详细的介绍。 串型接口的选型 计算机 接口方面主要有以下几种： PCI 总线、 ISA 总线、 RS232 串口、 USB串口等。 现在工业生产和科学研究对数据传输的要求日益提高，要求有很高的传输速率和传输精度，而现在通用的传输总线，如 PCI 总线或 ISA 总线，存在以下缺点：安装麻烦、价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些 电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其电磁屏蔽，导致采集的数据失真。 USB 总线接口具有热插拔、速度快（包括低、中、高模式）和外设容量大（理论上可挂接 127 个设备）、支持即插即用（ Plugamp。 Play）等优点，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势 [5][12]。 基于 USB 的高速数据传输充分利用 USB 总线的上述优点，有效结局了传统总线传输的缺陷。 使其成为 PC 机的外围设备扩展中应用日益广泛的接口标准。 由于 USB 市场被业界广泛看好，国际上很多大的半导体厂商都争先推出各自的 USB 接口解决方案，归纳起来可分为两种：一种是采用 普通单片机加上USB 专用芯片方法；另一种方法是采用内嵌通用微控制器的 USB 控制芯片，是在通用微控制器的基础上扩展了 USB 功能。 两种方法各有利弊：前者投资小，可利用普通单片机开发系统开发外设应用程序，其优点是开发者熟悉这些通用微控制器的结构和指令集，相关资料丰富，易于进行开发。 目前，在国内应用较多的 USB 的控制器主要有 National Semiconductor 的 USBN9602 系列、 Philips的 PDIUSBD12 系列、 SCANLOGIC 的 SLUR 系列以及 Cypress 的 FZUSB 系列。 其中前两种属于专 用的 USB 接口芯片，使用时需外接微控制器；而后两者 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 属于内嵌通用微控制器的 USB 控制芯片。 为了减小硬件设计的复杂度，加快系统的开发速度，上位机与板卡的接口器件选用 Cypress 公司 EZUSB FX2 系列中的 CY7C68013A（下面简称68013）。 这款芯片遵从 规范，在芯片上集成 USB 收发器（ USB Transceiver），串行接口引擎（ Serial Interface。