基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

34/34漢口學(xué)院學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文論文題目：基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：吳弘立學(xué)號(hào)：2009913059專業(yè)名稱：電信學(xué)院通信工程專業(yè)指導(dǎo)教師：朱純兵指導(dǎo)教師職稱：副教授二0一三年月日 漢口學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：吳弘立日期：2013年月日學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、□，在_____年解密后適用本授權(quán)書(shū)。2、不□。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框打“√”）學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日目錄1、引言42.系統(tǒng)分析63、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)73.1A/D轉(zhuǎn)換器73.2數(shù)字信號(hào)處理器73.3通信接口設(shè)計(jì)84、模擬量采集與A/D轉(zhuǎn)換94.1溫度信號(hào)調(diào)理94.2MAX1200104.3MAX1200與TMS320F240的連接145、DSP核心模塊155.1TMS320F240芯片155.1.1TMS320F240核155.1.2FLASH/ROM存儲(chǔ)模塊165.1.3I/O空間模塊165.1.4外部存儲(chǔ)器接口模塊185.1.5PLL時(shí)鐘模塊195.1.6事件管理器模塊205.1.7A/D轉(zhuǎn)換模塊215.1.8串行通信接口（SCI）模塊225.2TMS320F240的基準(zhǔn)電源236接口電路設(shè)計(jì)266.1接口器件266.1.1MAX485收發(fā)器266.1.2UT850接口轉(zhuǎn)換器276.2接口電路連接297.系統(tǒng)功能擴(kuò)展與一般采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)30容摘要：基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)首先是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的技術(shù)。DSP是一種單片機(jī)，隨著DSP的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)大，DSP與單片機(jī)之間的界限也越來(lái)越模糊，它的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，但是它的根本作用仍然是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口轉(zhuǎn)換器TMS320F240MAX1200MAX485異步串行通信Abstract:ThedataacquisitionsystemwhichbasedonDSPiscollectinganalogsignals,convertinganalogsignalstodigitalsignalsandprocessingdigitalsignals.DSPisasinglechipmicrocomputer.WiththeintegrationofDSPishigherandhigher,thefunctionismoreandmorepowerful,thelinebetweenDSPandsinglechipisbeingblurred,anditismoreandmorewidelyusedindifferentappliedfields.Howeveritisstillamagnificentbridgebetweentheanalogworldandthedigitalworld.Keywords:DigitalSignalProcessorADCProtocolConverterTMS320F240MAX1200MAX485synchronizedserialportcommunication1、引言早期的嵌入式系統(tǒng)硬件核心是各種類型的8位和16位單片機(jī)。隨著數(shù)字信號(hào)處理理論和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究都需要借助于數(shù)字處理方法。近年來(lái)，數(shù)據(jù)密集型數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以其高性能、低價(jià)格的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)行數(shù)字處理的先決條件是將所研究的對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化，因此數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)日益得到重視?；贒SP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以前端的模擬信號(hào)處理、數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)等高科技位基礎(chǔ)而形成的一門(mén)綜合技術(shù)，是聯(lián)系模擬世界和數(shù)字世界的橋梁。它在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著各種集成化單片DSP的性能不斷得以提升，相應(yīng)的軟件和開(kāi)發(fā)工具日趨完善，價(jià)格迅速下降，使得DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。隨著各種集成化單片DSP的性能不斷得以提升，相應(yīng)的軟件和開(kāi)發(fā)工具日趨完善，價(jià)格迅速下降，使得DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。在DSP領(lǐng)域，儀器（TI）公司的產(chǎn)品與其配套技術(shù)與開(kāi)發(fā)工具具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，其中TMS320型DSP是其代表系列。TMS320型DSP包括TMS320C2000系列、TMS320C5000系列、TMS320C6000系列，除此三大系列主流芯片外還有TMS320C2X、TMS320C5X、TMS320C4X、TMS320C8X等產(chǎn)品。其中TMS320C2X、TMS320C5X定點(diǎn)系列DSP被TMS320C2XX和TMS320C54X/C55X系列DSP代替而逐步淘汰；TMS320C4X和TMS320C8X兩種浮點(diǎn)DSP也因?yàn)門(mén)MS320C67X的出現(xiàn)而不再推薦使用，而TMS320C3X是一種性價(jià)比較高的浮點(diǎn)DSP芯片，還具有一定的市場(chǎng)空間。本文將以TMS320C2000系列下的TMS320C24XX系列中的TMS320F240為數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的核心芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫度信號(hào)的采集以與與計(jì)算機(jī)的通信顯示。系統(tǒng)分析要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)相關(guān)量的采集首先必須用傳感器檢測(cè)電機(jī)的溫度和轉(zhuǎn)速，把檢測(cè)到的溫度信息和轉(zhuǎn)速信息變換為溫度電信號(hào)和轉(zhuǎn)速電信號(hào)后，這些電信號(hào)要通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，并經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)dsp的檢測(cè)、濾波、整形等處理，處理完成之后的信號(hào)還要通過(guò)有機(jī)發(fā)光二極管OLED顯示器上顯示出來(lái)，或者輸入到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示分析，并通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，操作者現(xiàn)場(chǎng)查看數(shù)據(jù)并排除故障。但跟系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)信號(hào)的采集并顯示在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上。所以還必須實(shí)現(xiàn)dsp與計(jì)算機(jī)之間的通信。而該系統(tǒng)采用的TMS320F240芯片的SCI接口無(wú)法與計(jì)算機(jī)直接連接，因此要使進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)工作過(guò)程主要是將模擬輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，并把采集得到的大量數(shù)據(jù)送入DSP部進(jìn)行軟件濾波以與前端處理。在DSP完成采集數(shù)據(jù)的處理工作后，將處理結(jié)果經(jīng)過(guò)通信接口送至主機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的后端分析和顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：電機(jī)傳感器信號(hào)計(jì)算機(jī)接口電路DSP電機(jī)傳感器信號(hào)計(jì)算機(jī)接口電路DSPA/D系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)3.1A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換型和簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)換型，直接轉(zhuǎn)換型是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與間接轉(zhuǎn)換相比同樣可以達(dá)到很高的分辨率，但是它的轉(zhuǎn)換速度比間接轉(zhuǎn)換型要快。為了達(dá)到高精度并且有很快的轉(zhuǎn)換速度，該系統(tǒng)將采用并聯(lián)比較型直接轉(zhuǎn)換ADC芯片MAX1200.MAX1200是新型全差分多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，但它的每一級(jí)轉(zhuǎn)換都是采用并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換技術(shù)。它是具有采樣頻率可達(dá)1Msps的16位單片集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它有快速的數(shù)字誤差校正和自校準(zhǔn)功能。能保證在全采樣率時(shí)具有16位的線性度和91db的菲雜散動(dòng)態(tài)圍（SFＤR),以與良好的信噪比（SNR)和諧波失真（THD)特性。MAX1200主要用于高分辨率圖像系統(tǒng)、掃描儀、數(shù)字通信、檢測(cè)儀表和數(shù)據(jù)接收等領(lǐng)域。3.2數(shù)字信號(hào)處理器該系統(tǒng)的DSP將采用TI公司的TMS320F240芯片。TMS320F240也稱為DSP控制器，是TI公司針對(duì)電機(jī)、逆變器、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等控制而設(shè)計(jì)的，功能十分強(qiáng)大。它以C2XLP16定點(diǎn)DSPCPU為核，配置了完善的外圍設(shè)備，主要包括時(shí)間管理模塊（EV）、A/D轉(zhuǎn)換模塊（ADC)、串行通信接口模塊（ADC)、串行通信接口模塊（SCI）、串行外設(shè)接口模塊（SPI)、中斷管理系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)視模塊。TMS320F240具有以下優(yōu)點(diǎn)：執(zhí)行速度快，整體效能佳，可達(dá)到真正的實(shí)時(shí)控制。

(2)特殊的硬件與指令設(shè)計(jì)，適用于高性能的控制。

(3)容易增加附屬功能，很容易擴(kuò)展外圍。

(4)具有實(shí)時(shí)中斷的看門(mén)狗定時(shí)器模塊，可*程序之運(yùn)作。

(5)使用4層的Pipeline的程序運(yùn)作與設(shè)計(jì)有指令延遲之功能。3.3通信接口設(shè)計(jì)由于并行通信方式使用的傳輸線多，通信成本高，特別是隨著通信距離的增加，通信成本大大增加，且可靠性大大降低，串行通信的優(yōu)點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，通信成本低，所以本系統(tǒng)采用串行通信方式以實(shí)現(xiàn)dsp與計(jì)算機(jī)之間的通信。在串行通信中需要解決的一個(gè)基本問(wèn)題是通信的主從機(jī)必須按照統(tǒng)一的電氣和物理接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)連接，如信號(hào)電平、信號(hào)定義與電纜特性等都必須按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。PC上的接口一般是RS-232、并行打印機(jī)接口和USB接口。USB接口是應(yīng)用最為廣泛和最為方便的接口，所以這里采用PC的USB接口與DSP通信。在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)一般都使用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232方式。即用PC機(jī)的RS-232接口通過(guò)RS-232專用電纜與另一目標(biāo)主機(jī)進(jìn)行直接連接不需要接口轉(zhuǎn)換。但是RS-232的傳輸方式是采用一根為地線一根為信號(hào)線的不平衡傳輸，抗干擾性很差。而RS-485（多發(fā)送器電路標(biāo)準(zhǔn)）采用正負(fù)極信號(hào)差動(dòng)輸送方式，抗干擾性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。RS-485可以讓主機(jī)跟多個(gè)從機(jī)進(jìn)行通信。所以本系統(tǒng)TMS320F240的SCI通信接口協(xié)議選用RS-485。這樣PC的USB接口就要與DSP的RS-485接口進(jìn)行通信。但是USB不能與RS-485接口進(jìn)行直接通信，必須采用USB轉(zhuǎn)RS-485的容錯(cuò)型轉(zhuǎn)換器，因此本系統(tǒng)采用UT系列的UT850USB轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器。并采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485收發(fā)器芯片以實(shí)現(xiàn)RS485標(biāo)準(zhǔn)接口通信。模擬量采集與A/D轉(zhuǎn)換4.1溫度信號(hào)調(diào)理通常在模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換之前都有經(jīng)過(guò)某些種類的信號(hào)調(diào)理電路。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)溫度、壓力、光的強(qiáng)度等通過(guò)感受并轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電信號(hào)時(shí)，這些電信號(hào)非常微弱且有很多噪聲信號(hào)，所以它通常很難被信號(hào)采集設(shè)備識(shí)別，也無(wú)法被A/D轉(zhuǎn)換器識(shí)別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以在這種模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換之前要經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的放大、衰減、濾波、緩沖等處理，使其適合A/D轉(zhuǎn)換器。在一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)中，倘若調(diào)理電路設(shè)計(jì)的很好，可以大大提高系統(tǒng)采集信號(hào)的精度和準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)從傳感器送來(lái)的4路電機(jī)溫度信號(hào)先要通過(guò)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路然后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子溫度信號(hào)調(diào)理電路電機(jī)溫度信號(hào)電機(jī)溫度信號(hào)RRCA/D4.2MAX1200其實(shí)TMS320F240芯片部集成了兩個(gè)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)模擬轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)8個(gè)通道的模擬轉(zhuǎn)換，但其轉(zhuǎn)換的精度度并不高。如果為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度轉(zhuǎn)換和信號(hào)的高分辨率采集，采用獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。TMS320F240轉(zhuǎn)換接口電路其中模擬輸入通道引腳中的ADC0、ADC1、ADC8、ADC9與數(shù)字I/O復(fù)用，轉(zhuǎn)換精度低于其它模擬輸入引腳，一般設(shè)計(jì)電路時(shí)不適用在四個(gè)引腳。該系統(tǒng)采用的MAX1200是廣泛應(yīng)用于高分辨率圖像系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MAX1200采用+5v電源單端供電，另一負(fù)極輸入電壓引腳接地。其信號(hào)輸入方式采用差分輸入，參考電壓為正極RFPF4.096v由外部輸入，負(fù)極RFNF接地.當(dāng)100kHz頻率的信號(hào)輸入時(shí)，信噪比和非雜散動(dòng)態(tài)圍分別為87分貝和91分貝。它的功耗只有273mw.MAX1200結(jié)構(gòu)圖如圖，MAX1200是分級(jí)流水線型結(jié)構(gòu)，由多級(jí)電路組成，每一級(jí)都有一個(gè)采樣保持放大器，一個(gè)低分辨率的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以與求和電路。其中每一級(jí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是采用的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換原理，所以該芯片實(shí)際上是由多級(jí)比較型并聯(lián)轉(zhuǎn)換組成的轉(zhuǎn)換器。并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換原理如圖：VVrVr1VrN-3VrN-2VrN-1Vi-+Vr1VrN-3VrN-2VrN-1Vi-+-+--+-+DFN-1DFN-2DFN-3DF1I1I2I3In-1D0D1D2Dn優(yōu)先編碼器分壓電阻電壓比較器寄存器I0S圖4.2.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換原理0.5RC1CN-3CN-2CN-1其中D0到Dn為轉(zhuǎn)換后的n位數(shù)字輸出量，Vr為參考電壓，Vi為模擬輸入量，接比較器的正向輸入端，Vi的變化圍在0-Vr之間，分壓電阻把Vr分為N(N=2n)個(gè)均勻的量化電壓值Vrm作為參考電壓，接比較器的反向輸入端，輸入量電壓Vi與Vrm進(jìn)行比較，當(dāng)Vi>Vrm時(shí)比較器輸出端Cm為高電平信號(hào)，否則為低電平信號(hào)，最后通過(guò)優(yōu)先編碼器編碼得到最終的n位數(shù)字信號(hào)。在芯片MAX1200中，先通過(guò)第一級(jí)的K位并聯(lián)比較A/D轉(zhuǎn)換得到一個(gè)粗略的前K位數(shù)字信號(hào)，這個(gè)K位信號(hào)接著又通過(guò)n位分辨率的乘積型D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)送到求和電路中，在求和電路中，輸入電壓信號(hào)減去這個(gè)轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)得到這一級(jí)的差值電壓信號(hào)，然后在采樣保持放大器中放大到某一增益送入下一級(jí)進(jìn)行與第一級(jí)一樣的處理，但每?jī)杉?jí)在同一時(shí)刻總是處于不同的工作狀態(tài)中，當(dāng)?shù)谝患?jí)時(shí)鐘為高電平有效時(shí)第一級(jí)進(jìn)行采樣工作，第二級(jí)時(shí)鐘為低電平無(wú)效，此時(shí)第二級(jí)處于保持狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝患?jí)采樣完畢時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生翻轉(zhuǎn)，第一級(jí)進(jìn)入保持狀態(tài)而第二級(jí)開(kāi)始采樣工作。時(shí)鐘結(jié)構(gòu)如圖：第一級(jí)第二級(jí)第一級(jí)第二級(jí)clkClk時(shí)鐘圖4.2.4MAX1200的分級(jí)時(shí)鐘在第二級(jí)進(jìn)入保持狀態(tài)第三級(jí)開(kāi)始對(duì)第二級(jí)放大差值電壓信號(hào)量化時(shí)，處于采樣狀態(tài)的第一級(jí)或者停止工作，或者對(duì)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣,可以看出在一個(gè)時(shí)鐘周期，整條流水線可以完成一次轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)這樣的各級(jí)處理后，最終把經(jīng)過(guò)每一級(jí)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)并行輸出就得到高精度的數(shù)字信號(hào)，在并行輸出時(shí)流水線前幾級(jí)要長(zhǎng)短不同的延時(shí)以達(dá)到各級(jí)同時(shí)刻輸出。4.3MAX1200與TMS320F240的連接MAX1200模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后需要送到TMS320F240中進(jìn)行濾波等前端處理，MAX1200與TMS320F240的接口電路如圖：TMS320F240與MAX1200的連接電路MAX1200采用+5v單端模擬電源供電，其電壓的穩(wěn)定值上下起伏不能超過(guò)5%，其D0到D7輸出數(shù)據(jù)的低八位引腳和D8到D15輸送數(shù)據(jù)的高八位引腳分別于TMS320F240的D0到D15數(shù)字信號(hào)輸入通道引腳相連，由于不需要再用TMS320F240進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以它的ADC0到ADC15模擬輸入通道引腳全部閑置。MAX1200的數(shù)據(jù)有效時(shí)鐘引腳連接到TMS320F240的可屏蔽中斷引腳信號(hào)輸入INT1上。MAX1200的ST_CAL自校準(zhǔn)觸發(fā)數(shù)字輸入端與TMS320F240的IO2端口相連，當(dāng)IO2端口發(fā)送有效信號(hào)時(shí)，ST-CAL=1，MAX1200開(kāi)始自校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)束時(shí)，MAX1200的校準(zhǔn)結(jié)束標(biāo)志位END-CAL輸送有效信號(hào)1到MAX320F240的IO3space端口，以告訴dsp，MAX1200已完成校準(zhǔn)開(kāi)始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)，dsp做出相應(yīng)的應(yīng)答準(zhǔn)備接受數(shù)字信號(hào)。其它OE為輸出時(shí)能端，OE=1時(shí)D0-D15處于接通狀態(tài)輸出信號(hào)。DSP核心模塊5.1TMS320F240芯片TMS320F240為T(mén)I公司的集成度高，功能強(qiáng)大的定點(diǎn)式數(shù)字信號(hào)處理芯片，采用加強(qiáng)型的哈佛結(jié)構(gòu)，具有非?？斓倪\(yùn)算速度，適合于應(yīng)用到高速的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。TMS320F240包括CPU核、PLL時(shí)鐘、ADC轉(zhuǎn)換模塊、SCI（串行通信接口）模塊、SARAM（單端口）存儲(chǔ)器模塊、SPI（串行外部設(shè)備接口）模塊、CAN（控制器區(qū)域網(wǎng)）模塊、WD（看門(mén)狗定時(shí)器）模塊、FLASHEEROM（flash存儲(chǔ)器）模塊、外部存儲(chǔ)器接口模塊、數(shù)字I/O空間模塊、JTAG測(cè)試端口模塊、事件管理器EVA和時(shí)間管理器EVB模塊。5.1.1TMS320F240核TMS320F240核包括1個(gè)CALU（中央算術(shù)邏輯單元）、兩個(gè)ACC（累加器）、ISCALE(輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器)、PSCALE（乘積定標(biāo)寄存器）、OSCALE(輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)寄存器)、PREG（乘積定標(biāo)移位器）、IMR(中斷屏蔽寄存器)、IFR（中斷標(biāo)志寄存器）、多個(gè)MUX(復(fù)用器)等，其主要部存儲(chǔ)器包括3個(gè)總計(jì)為544字的DARAM(雙端口存儲(chǔ)器)B0、B1、B2等。5.1.2FLASH/ROM存儲(chǔ)模塊該存儲(chǔ)模塊共有32K字用來(lái)提供永久的程序存儲(chǔ)空間，該存儲(chǔ)模塊也叫EEPROM，即電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，它可對(duì)程序進(jìn)行擦除寫(xiě)入，因此可以多次進(jìn)行不同用途的使用。它的外部引腳接口如圖：Flash/Rom存儲(chǔ)器Flash/Rom存儲(chǔ)器TP1TP2VCCP圖5.1.2FLASH/ROM存儲(chǔ)器引腳VCCP為第58號(hào)電壓輸入引腳，在FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行編程或?qū)懭氤绦驎r(shí)，它的電壓值為5V，正常工作狀態(tài)下的電壓值為3.3V。TP1和TP2分別為第60、63號(hào)陣列測(cè)試引腳，DSP正常工作時(shí)處于閑置狀態(tài)。5.1.3I/O空間模塊該模塊負(fù)責(zé)與外部設(shè)備或存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如與外部設(shè)備通信，在電機(jī)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中該端口可以向繼電器發(fā)送控制信號(hào)并對(duì)繼電器進(jìn)行切斷和聯(lián)通控制。該部分的外部引腳圖如下：I/O空間模塊I/O空間模塊PortA(0-7)IOPA(0-7)PortB(0-7)IOPB(0-7)PortC(0-7)IOPC(0-7)PortD(0)IOPD(0)PortE(0-7)IOPE(0-7)PortF(0-7)IOPF(0-7)圖5.1.3I/O空間引腳該模塊引腳與其他引腳共享，其中25、26號(hào)IOPA0、IOPA1引腳與SCI引腳復(fù)用，23號(hào)IOPA2引腳與XINT引腳復(fù)用，83、79號(hào)IOPA3、IOPA4引腳與CAP和QEP引腳復(fù)用，75號(hào)IOPA5引腳與CAP引腳復(fù)用，56、54號(hào)IOPA6、IOPA7引腳與PWM引腳復(fù)用；52、47、44、40號(hào)IOPB(0、1、2、3)引腳與PWM引腳復(fù)用，16、18號(hào)IOPB4、IOPB5引腳與TPWM和TCMP復(fù)用，14、37號(hào)IOPB6、IOPB7引腳分別與TDLIA、TCLKIN復(fù)用；19號(hào)IOPC0引腳與W/R復(fù)用，119號(hào)IOPC1與BIO復(fù)用，30、32號(hào)IOPC2、IOPC3引腳與SPISIM引腳復(fù)用，35號(hào)IOPC4與STICLK復(fù)用，33號(hào)IOPC5引腳與SPISTL復(fù)用，72、70號(hào)IOPC6、IOPC7引腳與CAN輸出輸入復(fù)用；73號(hào)IOPD0引腳與CLKOUT復(fù)用；65、62、59、55、46、38號(hào)IOPE(1、2、3、4、5、6)引腳與PWM復(fù)用，88號(hào)IOPE7引腳與CAP和QEP復(fù)用；81號(hào)IOPF0引腳與CAP和QEP復(fù)用，69號(hào)IOPF1引腳與CAP復(fù)用，8、6號(hào)IOPF2、IOPF3引腳與TCMP和TPWM復(fù)用，2號(hào)IOPF4引腳與TDIRB復(fù)用，126號(hào)IOPF5與TCLKIN復(fù)用，131號(hào)IOPF6引腳專用。當(dāng)外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)I/O空間時(shí),IS、DS、PS都處于低電平有效狀態(tài)。5.1.4外部存儲(chǔ)器接口模塊該模塊包括64K字程序存儲(chǔ)空間，64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和64K字的I/O空間，但是該接口模塊可以與外部存儲(chǔ)器芯片連接以擴(kuò)展芯片的外部存儲(chǔ)空間，它的引腳圖如下：64x3Kx16位外部存儲(chǔ)器接口D0-D15A0-A1564x3Kx16位外部存儲(chǔ)器接口D0-D15A0-A15R/WPSDSISR/WPSDSISRDRDSTRBREADYSTRBREADYWEWEVISOEENA144VISOEENA144W/R/IOPC0W/R/IOPC0圖5.1.4外部存儲(chǔ)器接口引腳圖5.1.4外部存儲(chǔ)器接口引腳DSP的80、78、74、71、68、64、61、57、53、51、48、45、43、39、34、31號(hào)引腳分別為該模塊A0-A1516位地址總線的弟n（n=0-15）位引腳；DSP的第127、130、132、134、136、138、143、5、9、13、15、17、20、22、24、27號(hào)引腳分別為該模塊D0-D1516位數(shù)據(jù)總線的第n（n=0-15）位引腳；當(dāng)PS(程序空間選通)和STRB外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)選通處于低電平有效時(shí)，DSP才開(kāi)始訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。5.1.5PLL時(shí)鐘模塊該模塊可以為部個(gè)器件提供時(shí)鐘，而且還可以為外部其他電路輸出時(shí)鐘。但該模塊由于沒(méi)有晶振或諧振器不能自己產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)鐘，必須通過(guò)外部提供的較低頻率時(shí)鐘合成為片時(shí)鐘，通常接入外部晶振或瓷諧振器來(lái)提供片時(shí)鐘頻率，也可以用外部的時(shí)鐘源器件直接為片各個(gè)部分提供時(shí)鐘頻率，這個(gè)時(shí)候部振蕩器就不再需要，TMS320F240芯片允許使用外部時(shí)鐘源，此時(shí)部振蕩器被旁路。該模塊的引腳圖如下：PLL時(shí)鐘PLL時(shí)鐘PLLFPLLVCCAPLLF2XTAL1/CLKINXTAL2圖5.1.5PLL時(shí)鐘引腳11、10號(hào)PLLF、PLLF2引腳外接濾波器電路，當(dāng)外接外部時(shí)鐘源時(shí)，123、124號(hào)XTAL1、2振蕩器輸入輸出引腳分別接晶振或諧振的兩端，12號(hào)PLLVCCA引腳接3.3V電壓源。倘若使用片振蕩器對(duì)外部時(shí)鐘源進(jìn)行合成而提供部各器件時(shí)鐘的方式，輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率在4MHz-20MHz之間，由于部倍頻電路容易被干擾為了獲得較高精度的時(shí)鐘還必須采用電容和電阻元件構(gòu)成的外部濾波器電路回路來(lái)抑制信號(hào)抖動(dòng)和電磁干擾，使噪聲信號(hào)影響降到最低但無(wú)法消除，此時(shí)外部濾波器電路兩端接PLLF和PLLF2引腳。如果直接用外部時(shí)鐘源提供片時(shí)鐘則不需要外部濾波器電路回路來(lái)消除噪聲信號(hào)，此時(shí)時(shí)鐘精度最高，但是外部時(shí)鐘源頻率必須與部器件時(shí)鐘頻率一致，例如要獲得30MHzCPU時(shí)鐘頻率，則外部時(shí)鐘源頻率必須也為30MHz，外接時(shí)鐘頻率圍為4MHz-30MHz.5.1.6事件管理器模塊PDPINIBPDPINIA該模塊是最復(fù)雜的模塊，同時(shí)也很重要，為控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大的功能。例如它可以向電機(jī)監(jiān)控程序提供溫度過(guò)高、轉(zhuǎn)速不正?；螂妷哼^(guò)高等異常信息，它可以周期性的控制部A/D轉(zhuǎn)換。該模塊包括EVA和EVB部分，每個(gè)部分包括2個(gè)通用定時(shí)器（GP）、3個(gè)比較單元、3個(gè)捕獲單元和正交編碼脈沖倍頻電路，這兩個(gè)部分的功能一樣。事件管理器引腳如下圖：PDPINIBPDPINIACAP5/QEP4/IOPF0CAP4/QEP2/IOPA4CAP4/QEP3/IOPAE7CAP1/QEP1/IOPA3事件管理器EVB事件管理器EVACAP5/QEP4/IOPF0CAP4/QEP2/IOPA4CAP4/QEP3/IOPAE7CAP1/QEP1/IOPA3事件管理器EVB事件管理器EVAPWM7/IOPE1PWM1/IOPA6CAP6/IOPF1CAP3/IOPA5PWM7/IOPE1PWM1/IOPA6CAP6/IOPF1CAP3/IOPA5PWM9/IOPE3PWM8/IOPE2PWM3/IOPB0PWM2/IOPA7PWM9/IOPE3PWM8/IOPE2PWM3/IOPB0PWM2/IOPA7PWM11/IOPE5PWM10/IOPE4PWM5/IOPB2PWM4/IOPB1PWM11/IOPE5PWM10/IOPE4PWM5/IOPB2PWM4/IOPB1T3PWM/T3CMP/OPF2PWM12/IOPE6PWM6/IOPB3T3PWM/T3CMP/OPF2PWM12/IOPE6PWM6/IOPB3TCLKINB/IOPF6TDIRB/IOPF4TCLKINA/IOPB7T2PWM/T2CMP/OPB5T1PWM/T1CMP/OPB4T4PWM/T4CMP/OPF3TCLKINB/IOPF6TDIRB/IOPF4TCLKINA/IOPB7T2PWM/T2CMP/OPB5T1PWM/T1CMP/OPB4T4PWM/T4CMP/OPF3圖5.1.6事件管理器引腳可以看出事件管理器的引腳大部分都與I/O空間引腳復(fù)用，TCLKINA/B為外部時(shí)鐘輸入引腳，對(duì)于EVA，3個(gè)比較單元引腳PWM1/2，PWM3/4，PWM5/6分別輸出兩路互補(bǔ)的PWM波形，同樣對(duì)于EVB。EVA和EVB一共輸出12路PWM波形信號(hào)，它的高或低電平有效可以自行配置，該信號(hào)用來(lái)控制各種不同類型的功率設(shè)備。PDPINTA/B可以為例如功率變換和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)操作提供安全保證，即它可以向監(jiān)控系統(tǒng)提供異常信息。CAP引腳為捕獲單元引腳，捕獲單元用來(lái)監(jiān)視被捕獲輸入引腳上的信號(hào)變化例如對(duì)PWM信號(hào)的上升沿或下降沿的捕獲，對(duì)于EVAT1CMP連接CAP1和CAP2引腳，T2CMP連接CAP3，EVB同樣連接。通常CAP1捕獲上升沿信號(hào)，CAP2捕獲下降沿信號(hào)，所以CAP1和CAP2的時(shí)鐘頻率必須一樣，CAP3則另用時(shí)鐘。QEP引腳為正交編碼器脈沖（QEP）電路引腳,正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息，當(dāng)QEP被使能時(shí)捕獲單元引腳上的捕獲功能被禁止。5.1.7A/D轉(zhuǎn)換模塊該模塊引腳如下圖：ADCIN0-ADCIN7ADCADCIN0-ADCIN7ADCADCIN8-ADCIN15VCCAVSSAVREFHIVREFLOXINT2/ADCSOC/IOPD0圖5.1.7ADC引腳該模塊包括一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換核，兩個(gè)8狀態(tài)排序器,16個(gè)可單獨(dú)訪問(wèn)的結(jié)果寄存器用來(lái)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換值。模數(shù)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)觸發(fā)源有軟件觸發(fā)，事件管理器EVA/B觸發(fā)，外部ADCSOC觸發(fā)等。ADCIN為模擬輸入引腳，VREFHI和VREFLO分別為模擬輸入?yún)⒖茧妷焊唠娖胶偷碗娖捷斎胍_，XINT為外部用戶中斷引腳，VSSA為模擬電源接地引腳，VCCA3.3V供電電壓輸入引腳。該模數(shù)轉(zhuǎn)換一個(gè)周期分五個(gè)階段。排序啟動(dòng)（SOS）同步，采樣（ACQ）時(shí)間，轉(zhuǎn)換（CONV）時(shí)間，轉(zhuǎn)換結(jié)束（CONV）時(shí)間，序列轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOS）的標(biāo)志設(shè)置時(shí)間，這五個(gè)階段總共需大約33到55個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。5.1.8串行通信接口（SCI）模塊SCI異步通信包括半雙工（單路）通信和全雙工（雙路）通信。該模塊只有兩個(gè)引腳SCITXD接收數(shù)據(jù)引腳、SCIRXD發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，這兩個(gè)引腳都與I/O引腳復(fù)用。串行通信接口模塊由發(fā)送和接收兩大部分組成。發(fā)送的核心部分是發(fā)送移位寄存器，置位SCI允許(TXENA)時(shí)，寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器（SCITXBUF）啟動(dòng)發(fā)送，如果發(fā)送移位寄存器（TXSHF）為空，則存放在SCITXBUF中的數(shù)據(jù)傳送到TXSHF中，并置位(TXRDY=0),數(shù)據(jù)從低位LSB開(kāi)始逐位從發(fā)送數(shù)據(jù)引腳移位輸出，發(fā)送完成時(shí)置位“完成”標(biāo)志(TXRDY=1)，并允許發(fā)送完成中斷。接收數(shù)據(jù)的速度取決于SCI時(shí)鐘，它的核心是接收移位寄存器(RXSHF),它由SCI控制寄存器的”RXENA”使能，SCICCR的奇偶檢驗(yàn)位執(zhí)行奇偶檢驗(yàn)，檢驗(yàn)測(cè)到一個(gè)字符的停止位后，接收的數(shù)據(jù)從移位器傳至接收數(shù)據(jù)緩沖器（SCIRXBUF），置位接收數(shù)據(jù)寄存器滿標(biāo)志（RXRDY=1）。在允許接收中斷（RX/BKINTENA=1）時(shí)發(fā)生中斷。如果通過(guò)奇偶校驗(yàn)檢測(cè)出接收不正常，則發(fā)生間斷、幀錯(cuò)溢出等情況。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括三大模塊，對(duì)模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，對(duì)采集信號(hào)的檢測(cè)、濾波、整形，和傳送到上位機(jī)。其三大功能模塊如下圖：TMS320F240模擬量溫度信號(hào)RS485接口A/DTMS320F240模擬量溫度信號(hào)RS485接口A/D上位機(jī)上位機(jī)TMS320F240是這個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它要完成對(duì)溫度信號(hào)的檢測(cè)、濾波整形等處理。5.2TMS320F240的基準(zhǔn)電源TMS320F240的電源和時(shí)鐘非常重要，如果電源盒時(shí)鐘的精度低就會(huì)影響到數(shù)據(jù)采集和dsp的數(shù)據(jù)處理的精度，因而電源和時(shí)鐘是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)采用ANALOGDEVICES公司的可編程精密基準(zhǔn)電源器件AD584來(lái)為dsp提供+5v電壓。AD584是一款8引腳的精密基準(zhǔn)電壓源，提供四種10v、7.5v、5v和2.5v常用的輸出電壓，通過(guò)增加外部電阻可以實(shí)現(xiàn)從2.5v到10v之間的任意電壓。輸入電壓圍在4.5v到30v之間。該器件采用激光晶圓調(diào)整(LWT)技術(shù)來(lái)調(diào)整引腳可編程的輸出電平和溫度系數(shù)，從而獲得最為靈活的單芯片、高精度基準(zhǔn)電壓源。除可編程輸出電壓外，AD584提供一個(gè)獨(dú)特的選通引腳，可以通過(guò)它開(kāi)啟或關(guān)閉器件。該器件用作電源基準(zhǔn)電壓源時(shí)，利用單個(gè)低功耗信號(hào)可以關(guān)閉電源。在“關(guān)閉”狀態(tài)，該器件耗用的電流降至約100μA。在“開(kāi)啟”狀態(tài)，總電源電流典型值為750μA，其中包括輸出緩沖放大器。AD584推薦用作需要外部精密基準(zhǔn)電壓源的8位、10位或12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的基準(zhǔn)電壓源。該器件也非常適合最高14位精度的所有類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，無(wú)論是逐次逼近型還是集成式設(shè)計(jì)，而且其性能通常優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立式基準(zhǔn)電壓源。AD584J/K/L的額定工作溫度圍為0°C至+70°C，AD584S/T則為-55°C至+125°C。所有等級(jí)產(chǎn)品均采用密封八引腳TO-99金屬帽殼封裝；AD584J/K還提供8引腳塑封DIP封裝。AD584芯片外部引腳該電源接入到系統(tǒng)中時(shí)，把產(chǎn)生5v電壓的2引腳接到TMS320F240的VCCA和VREFHI兩個(gè)引腳上。TMS320F240的參考電壓電路5.3TMS320F240時(shí)鐘TMS320F240的時(shí)鐘可以由板載振蕩器提供也可以由外部時(shí)鐘提供。使用外部時(shí)鐘提供能夠保證時(shí)鐘的穩(wěn)定性和精度。如果時(shí)鐘的精度不高，那么dsp的穩(wěn)定性差，信號(hào)的精度也會(huì)大大降低。所以該系統(tǒng)采用外部時(shí)鐘輸入，由無(wú)源晶振產(chǎn)生4MHz脈沖，通過(guò)PCB板上覆銅和串接LC濾波電路來(lái)抑制外界干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。HC49S外部無(wú)源晶振器TMS320F240外圍時(shí)鐘6接口電路設(shè)計(jì)6.1接口器件6.1.1MAX485收發(fā)器該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信的主干線為RS422/RS485型總線，雖然TMS320F240部集成了串行通信模塊，并有專用的通信發(fā)送端引腳和通信接收端引腳，但它的信號(hào)傳輸采用的是TTL電平，無(wú)法直接接入該RS422/RS85總線網(wǎng)絡(luò)，因此需要通過(guò)收發(fā)器接入網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX485收發(fā)器芯片完成RS485標(biāo)準(zhǔn)接口通信。MAX485芯片采用單5v電源供電，工作電流為120-500uA，功耗很低。有驅(qū)動(dòng)過(guò)載保護(hù)功能，其共模輸入電壓圍為-7-12v。RS485是多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)RS422的性能進(jìn)行了擴(kuò)展，它可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)接收器，以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)從機(jī)的連接。RS485可以實(shí)現(xiàn)2.5Mbps的比較高的傳輸速率。MAX485引腳圖MAX485的RO引腳為該收發(fā)器的輸出端連接到DSP的RXD，DI為驅(qū)動(dòng)器的輸入端連接到dsp的TXD引腳，RE為接受使能端，低電平有效，DE為發(fā)送時(shí)能端，高電平有效。A、B端為接收、發(fā)送差分信號(hào)端，即當(dāng)A引腳電平高于B時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)為高電平信號(hào)，當(dāng)A引腳電平比B低時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)為低電平信號(hào)。6.1.2UT850接口轉(zhuǎn)換器由于MAX485芯片的電平與計(jì)算機(jī)的USB電平不同，而且計(jì)算機(jī)上沒(méi)有RS485接口，RS485/RS422總線也無(wú)法直接接計(jì)算機(jī)，所以MAX485要與計(jì)算機(jī)上的USB接口連接就必須采用USB轉(zhuǎn)RS485/RS422轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)采用UT850USB轉(zhuǎn)RS485/RS422轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與RS485/RS422總線的連接。UT850是通用的USB接口轉(zhuǎn)換器，兼容USB、RS422、RS485標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需外部電源供電，能夠?qū)SB信號(hào)轉(zhuǎn)換為MAX485的A、B差分引腳可以接收的RS485/RS422型差分信號(hào)，這樣就能通過(guò)RS485/RS422總線傳輸后直接輸入到MA