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1、基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要:本文在討論了TMS320VC5409DSP芯片和ADS7805AD轉(zhuǎn)換芯片的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了具有較高精度和速度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并且給出了DSP芯片和AD轉(zhuǎn)換芯片的接口原理圖以及詳細(xì)的串口初始化程序。此系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)采集與處理,而且精度高,穩(wěn)定性好。關(guān)鍵詞:ADS7805;TMS320VC5409;數(shù)據(jù)采集中圖分類號(hào):TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1 引言數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段,而隨著科技的發(fā)展,對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及儀器的許多技術(shù)指標(biāo)都提出了更高的要求。要求不僅能穩(wěn)定高速的進(jìn)行高精度的數(shù)據(jù)采集與處理,而且還要有良好的人機(jī)界面以便能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行

2、實(shí)時(shí)的分析與觀測(cè)。DSP作為數(shù)字信號(hào)處理器以其高速、高精度的性能廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、圖像處理等控制領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控制芯片即是采用TI公司提供的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320VC5409A-160芯片,AD轉(zhuǎn)換芯片選用的是AD公司推出的并行芯片ADS7805。這些集成度較高的芯片,很好的實(shí)現(xiàn)了高速度、高精度、靈活、穩(wěn)定、通用等優(yōu)點(diǎn)。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一個(gè)高速信號(hào)采集處理系統(tǒng),其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程為:TMS320VC5409USBBUFFERSDRAM鍵盤/顯示FLASH邏輯控制單元McBSPMcBSPD15D0A15A0A15A0D15D

3、0ADCDACBUFFER被測(cè)數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)圖1 系統(tǒng)硬件圖本數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過(guò)USB接口接收PC機(jī)命令,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)系統(tǒng)接收指令后,將被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)AD調(diào)理為適合DSP系統(tǒng)的電壓范圍,經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號(hào)預(yù)先存儲(chǔ)到片外的RAM中,再經(jīng)DSP按照一定的算法進(jìn)行前端的數(shù)字信號(hào)處理后,通過(guò)總線傳給上位機(jī),并在上位機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和分析等。3 各單元模塊的設(shè)計(jì)從圖1可以看出,在本設(shè)計(jì)中主要有A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP芯片、總線驅(qū)動(dòng)器、FLASH存儲(chǔ)器及SDRAM、邏輯控制單元和電源等組成。下面介紹主要單元模塊的設(shè)計(jì)。3.1 DSP基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是TMS320VC540

4、9A-160芯片。這是TI公司的一款高性能、低功耗、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。該芯片采用CMOS技術(shù),供電電壓為3.3 V,內(nèi)核電壓1.6V,兼容TMS320C54X系列芯片指令系統(tǒng),最高可在160MHz主頻下工作,具有16kBytes的緩存和17 bit17 bit雙乘法器,并帶有32 k16 bit的RAM和16 k16 bit的ROM,6.25ns機(jī)器周期,6-Chan Ext的DMA。其片上外設(shè)主要包括時(shí)鐘發(fā)生器、DMA控制器、外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)、主機(jī)接口(HPI)、I2C總線、通用輸入輸出GPIO口、3個(gè)多通道緩沖串行端口(McBSP)、一個(gè)64位通用定時(shí)器(GPT)和

5、一個(gè)可編程看門狗定時(shí)器、通用異步收發(fā)器(UART),外部尋址空間達(dá)8 MB,可擴(kuò)展大容量SDRAM。為了保證該芯片的正常工作,需要對(duì)其引腳進(jìn)行合理的配置。并且由于TMS320VC5409A-160芯片需要3.3V和1.6V雙電源供電,所以可以采用TPS73HD301電源芯片為其供電。具體的配置如圖2所示。NC 1RESETNC NC1GND NC1EN FB/SENSE1IN 1OUT1IN 1OUTNC 2RESETNC NC2GND NC2EN 2SENSE2IN 2OUT2IN 2OUTNC NCNC NCC333mF3.3V&17151618192021222324252627281.

6、8VVD2VD3C233mFC11mFC01mF5VR1100kR2100kPGRESET to DSPTPS73HD301VD15679101112131234814TMS320VC5409DVDDCVDDINT0GNDINT1INT2INT3NM1CLKMD1CLKMD2CLKMD3BIOHOLDREADAY圖2 DSP芯片基本配置圖3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)在DSP芯片內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能,但如果系統(tǒng)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率保證12位以上的話,那么TMS320VC5409A-160芯片內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊就無(wú)法滿足系統(tǒng)分析的要求,所以必須外接A/D轉(zhuǎn)換芯片。這里選用16位并行輸

7、出的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7805。 該款芯片采用CMOS工藝制造,單通道輸入,功耗低(最大功耗為100mW),只需單端5V電源供電即可正常工作,其轉(zhuǎn)換頻率最高可達(dá)100KHz,具有較高的性價(jià)比。采用逐次逼近式工作原理,轉(zhuǎn)換結(jié)果由16位數(shù)據(jù)線并行輸出,啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以同時(shí)進(jìn)行。并且芯片內(nèi)部集成了采樣保持、電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘等電路,在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時(shí),更極大的簡(jiǎn)化了用戶的電路設(shè)計(jì)。其與TMS320VC5409A-160芯片連接如圖3所示。D0D15 I/OTMS320VC5409模擬信號(hào)74LS273 D0D15R/C BUSYVin VdigCAP VanaAGND1 DGND

8、 AGND2 CSREF BYTEADS78052002.2mF2.2mF33.2kD0Q0+5V圖3 DSP芯片與A/D芯片連接圖4 軟件設(shè)計(jì)由于在TMS320C5409A芯片內(nèi)部的ROM里已經(jīng)在起始地址為0xFF8000H處固化好了一段程序,也即Bootload程序。所以可以把系統(tǒng)需要執(zhí)行的程序代碼在滿足規(guī)定的格式后,從C5409A芯片外部的Flash芯片自動(dòng)載入到C5409A芯片內(nèi)部或者外部的RAM存儲(chǔ)器中,被Bootload程序識(shí)別出來(lái)后自動(dòng)執(zhí)行。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該考慮TMS320VC5409A-160芯片的硬件初始化、ADS7805芯片的初始化以及其內(nèi)部的存儲(chǔ)器配置

9、、數(shù)據(jù)及程序初始化等情況。在本系統(tǒng)中,利用緩沖串口McBSP進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā),利用輔助寄存器AR0用于程序的運(yùn)算處理及尋訪方式的設(shè)定?,F(xiàn)給定串口初始化程序如下:Main: SSBX INTM ;關(guān)中斷 STM #0FFFFh, IFR ;清除所有中斷標(biāo)志 STM #0, CLKMD ;設(shè)置時(shí)鐘工作模式 NOPTS: LDM CLKMD, A AND #01b, A BC TS, ANEQ STM #3007h, CLKMD RPT 100 NOPSTM #St_memory+500, SP ;設(shè)置堆棧指針STM #01060H, PMST ;設(shè)置PMST寄存器STM #3610H, SWWSRC

10、ALL Intializing ;調(diào)用McBSP的初始化子程序RPT #0FFH NOPLD #799, BSTM #0C0H, IMR ;允許RINT1、XINT0中斷 STM #0FFH, DXR12M_LOOP: NOPB M_LOOPIntnull: NOP RETEInitializing: STM #0000H, SPSA0 ;選擇串口控制寄存器STM #0000H, SPCD0STM #0001H, SPSA0 STM #0000H, SPCD0STM #0002H, SPSA0 ;選擇接收控制寄存器STM #0000H, SPCD0STM #0003H, SPSA0STM #0

11、000H, SPCD0STM #0004H, SPSA0 ;選擇發(fā)送控制寄存器STM #0000H, SPCD0STM #0005H, SPSA0STM #0000H, SPCD0STM #0006H, SPSA0 ;選擇采樣率發(fā)生器寄存器STM #0100H, SPCD0STM #0007H, SPSA0STM #0007H, SPCD0STM #000EH, SPSA0 ;選擇引腳控制寄存器STM #0900H, SPCD0RPT #0FFHNOPSTM #0FFH, DXR12STM #0000H, SPSA0 ;選擇串口控制寄存器STM #0001H, SPCD0STM #0001H,

12、 SPSA0STM #00C1H, SPCD0RETERsceive_int:NopNopLDM DRR12, ASUB #1, BBC Exit, BNEQXORM #2000H, *ST1LD 200, BExit: RETETransmit_int:STLM A, DXR12RETE在該程序中,充分的考慮了機(jī)器周期,所以加了若干條空循環(huán)指令來(lái)避免發(fā)生流水線沖突。5 結(jié)論本文所介紹的由ADS7805和TMS320C5409A-160所構(gòu)成的高精度信號(hào)采集系統(tǒng)接口電路簡(jiǎn)單、編程方便,系統(tǒng)程序代碼已經(jīng)在CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境上得到驗(yàn)證,運(yùn)行良好。所涉及的系統(tǒng)很好的兼顧了數(shù)據(jù)采集處理的高精度和高速性的要求,因此,具有廣泛的適用范圍和一定的推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 張雄偉,曹鐵勇.DSP芯片得原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社,19962 鄒彥主編. DSP原理及應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社,20053 穆洪偉,賴康生.基于DSP的高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009.02:15-164 薛紅娟,江海河,張飛軍.基于DSP和ADS8515的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J.數(shù)據(jù)

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