系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集處理模塊的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集處理模塊的硬件設(shè)計(jì)電機(jī)試領(lǐng)域的采樣頻率一般絞高■采用這樣的慕集遼氧在毎時(shí)間內(nèi)就樂(lè)采集到人趕的蘇?而如何將這些大量個(gè)數(shù)據(jù)完整的件送至上睦機(jī)，慮為進(jìn)個(gè)測(cè)試嘉統(tǒng)虛相牧番的IE常運(yùn)作的關(guān)鍥*考?xì)成鲜鲩u盍.我們?cè)O(shè)計(jì)了如罔5,1所示這樣的髙速數(shù)據(jù)采集殮理蟆城.nfeiMsn—?r覽*練凰r械筋電機(jī)研速1?則卅亶桓氓名曙.喑沖侏曲墳映A/D越片MAK1295'c當(dāng)砌MHATKEGAtNnfeiMsn—?r覽*練凰r械筋電機(jī)研速1?則卅亶桓氓名曙.喑沖侏曲墳映A/D越片MAK1295'c當(dāng)砌MHATKEGAtN1”擰t」|?KUnm*￥?imiu呈示狂IflS.1帝疑申怖虧采篷欖疑Fig'IModnlcofSigiulAcquisitionInihc啊ton由于諛累統(tǒng)葉対于向建佔(zhàn)號(hào)的果集，Rirmff丁采用WB2”和光兒理億傳輛皴囂町以達(dá)到iKOMbils/i,tlflGUMBm^so由Mj連輸糸統(tǒng)討PCB加線喙打用倚.故謖啖塊采用CYPRESS司的FX2苦片6了＜?闘DHA來(lái)完虜.從而在完成功能的前提下葡優(yōu)了布線?井縮JB了開(kāi)發(fā)周期-由于CY7C6WI3A的硬件飾構(gòu)內(nèi)包含了內(nèi)那的FIFO姑絢*所凰在模塊中可根據(jù)具體需要徐定是否離蔓他用tth^j外制存鎬越.由胡氐1可如荽們ift訃的JK樂(lè)畫址采用CY?C6?n%擁比制汕將上機(jī)數(shù)碾伐齡微笠制器.冥觀對(duì)采集索址的比刨：竝抑;衆(zhòng)集部分將敗搦恂到微控制哉+微控制關(guān)整理難據(jù)后週過(guò)ISH桂制茜片經(jīng)USB總蛀輔送到主機(jī)=甜覽實(shí)現(xiàn)救據(jù)的采集和控制傳輸1-§5-2微控制器的選擇布品種驚琴的槪挖制器世畀屮?和眾列非常普協(xié)?栽忙I邈擇的USB2.O^制芯片CY7C680I3A中帶有加強(qiáng)的R砧1內(nèi)質(zhì)性但是它們措舍執(zhí)疔周期眾臨?現(xiàn)在我W1選擇執(zhí)懺較快的鍛檢制醫(yī)與前而所旌掙的USB控制蒼卄趨度和嘰配*aifJ^^fiMMAATWL撿司的徽控?||器冊(cè)缺卿，Arn^a64hL崔卜M強(qiáng)的AVRRISC彗.構(gòu)的氏」屛L8叱CMOS險(xiǎn)巴制器由卜此比進(jìn)的指令束以段單時(shí)鐘湖期指專執(zhí)仃并冋?ATH1W64的數(shù)撐槨吐率島-達(dá)1MIPS/MHz,從而可以緩縄采統(tǒng)在功耗桝處理建度Z間的矛厲.AVR內(nèi)核具有豐直的指令集和32個(gè)通用工作每存器。所有的奇存器郁《接與算邏單元(ALU)lfi連接，使得-*折令町以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的需存器“這種結(jié)構(gòu)人犬提島了代碼效率，并FI具有叱齡通的CISC微控制器最馬至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmcga61有如下待點(diǎn):64K7節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(M有同時(shí)讀寫的能力?即K*W)?2K字節(jié)EE?ROM,4K7節(jié)SRAM,53個(gè)通用I/O丨I線，32個(gè)通用工作寄存器，實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC).四個(gè)貝仃比較模式與PWM的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器仃冗)，兩個(gè)USART.面向字節(jié)的兩紐串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程増益的ADC,具有片內(nèi)扳蕩器的M編程看門狗定時(shí)器.一個(gè)SPI串行端口，與IEEE1149」標(biāo)冷族容的、可用丁訪問(wèn)片上調(diào)試系統(tǒng)及編程的JTAG接口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式.工作f■空閑模式時(shí)CPU件止丁作,而SRAM、T/C、SPI端口以及中斯系統(tǒng)繼續(xù)匸作；掉電模式時(shí)品體抿蕩器停止抿蕩，所行功能除了中斷和便件復(fù)位之殲祁停止工作；在省電模式下.并步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基冷?而其余功能模塊處于休毗狀態(tài)：ADC噪聲抑制模式時(shí)終止CPU和除「異步定時(shí)器與ADC以外所有I/O模塊的匸作?以降低ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)喚聲:Siandby模式下只冇品體或諧孤撮蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使徹器件只消耗極少的電流，同時(shí)具冇快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Siandb、模式卜'則允許按蕩器和開(kāi)步定時(shí)為繼續(xù)工件.山部結(jié)構(gòu)如圖5.2所*曲艸…川川.UHHtlHiftfTTHtlUt：tmHH叫川HfH—十U][?：?：]?][，?二???Iguv??沖A({guvT：、■■■■—MBlXlX亠7二空二i&癥J二im"hhihihhi山nniufuiiiui^TOtiirmwHFBfT■WlX亠7二空二i&癥JlX亠7二空二i&癥J二im"hhihihhi山nniufuiiiui^TOtiirmwHFBfT■Wr~I-tMa：?I、1I土二歲I11山III<?etra?^MaI4WFFmu4HH本芯片足以Atmcl高密度非易失性匸儲(chǔ)器技術(shù)住產(chǎn)的?片內(nèi)ISPFlash允「"緘；1門ISP串行接口，或音通用塢程器進(jìn)行編程，也町以通過(guò)運(yùn)行于AYR內(nèi)H(Z中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程.引導(dǎo)程序町以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存佛區(qū)(ApplicationFlashMemory)■在吏新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)（BootFlashMemory）的程序繼續(xù)運(yùn)行.實(shí)現(xiàn)『RWW操作。通過(guò)將8位RISCCPL與系統(tǒng)內(nèi)M編穆的Flash集成血--個(gè)芯片內(nèi).ATmegaM戒為-個(gè)功能強(qiáng)人的單片機(jī).為許多嵌入成控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方菜。5-21ATaega64存儲(chǔ)器AVR結(jié)構(gòu)貝有兩個(gè)主要的存儲(chǔ)器空間：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和程序存儲(chǔ)器空何.此外，ATmegaO4還仆EEPROM存儲(chǔ)器以保存數(shù)據(jù).這三個(gè)存緒器空何郴為紐性的平而結(jié)構(gòu)-系統(tǒng)內(nèi)可編稈的Flash用序存（iU^ATmcga64K字節(jié)的在找編用Flash,用于存放理序指令代碼。因?yàn)樯械腁VR指令為16位或32位.故而Flash組織成32K>d5位的形式.用戶程序的安全性耍根拡F(tuán)lash理序存緒的兩個(gè)區(qū)：引導(dǎo)《Boot）（V序和應(yīng)用程序區(qū).分開(kāi)來(lái)考慮.SRAM敢據(jù)療儲(chǔ)器ATtg則U支持兩種祀置的SRAM敷據(jù)存儲(chǔ)器（普通模式和ATmegnKB極容模式），ATmcga64井行農(nóng)兀超過(guò)64個(gè)，對(duì)于0x60-0xFF的擴(kuò)展I/O空何，只能使用ST/STS/STD與LD/LDS/LDD指令。也ATmcgalO3談容模式八不存在擴(kuò)展1,0空何°4352個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括了竊存器文件、I/O存儲(chǔ)器及內(nèi)部數(shù)抵SRAM赴始的32個(gè)地址為竊存器文件接有的64個(gè)地址為標(biāo)準(zhǔn)"0存儲(chǔ)器?160個(gè)擴(kuò)展1/0存儲(chǔ)器，4.096字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)SRAM.ATmcgaiO3容模式卜，前4,096個(gè)數(shù)據(jù)存緒器包括了寄心器文件、1/0心儲(chǔ)器及內(nèi)部數(shù)據(jù)SRANL起始的32個(gè)地址為脣存器文件接若的M個(gè)地址為杯準(zhǔn)I/O〃:儲(chǔ)器?4,000字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)SRAM.ATmcga64還有町選外部數(shù)據(jù)SRAM該SRAM在64K地址空間中.位于內(nèi)部SRAM地址后.在普通模式下，前4.3,2字節(jié)包括寄存器文件、I/O、擴(kuò)展I/O及內(nèi)部SRAM：而在ATmcgalO3>容模咒下.前和）96字節(jié)中沒(méi)有擴(kuò)展I/O,因此當(dāng)使用64KB（65.536字節(jié)）外部存儲(chǔ)器時(shí).普通模式有61.1X4字節(jié)的外部存儲(chǔ)器.而ATmcgalO3糧容模式有61.440字節(jié)的外部存儲(chǔ)器"數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址方式分為，種：葭接尋址、帶偏移蜀的何接尋址、何樓尋址、帶検堿雖的間接J址和帶后增晝的間接"址。寄存眾文件中的寄存器R26到R31為間接J址的指針寄存器-ATmcga64的全部32個(gè)通用寄存器、64個(gè)"0寄存器、160擴(kuò)展I/O寄存器及4.096個(gè)字節(jié)的蟲部數(shù)據(jù)SRAM可以通過(guò)所有上述的尋址模式進(jìn)行訪問(wèn).EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ATmcga64包含2K字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它足作為個(gè)獨(dú)、Z的數(shù)據(jù)空間而存在的,可以按字借瀆寫。EEPROM的壽命至少為100.000次擦除周期“EEPROM的訪何由地址寄存器、數(shù)據(jù)崙存器和控制寄存器決定。§5-3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇5-3-1A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)段擬數(shù)7轉(zhuǎn)換簽（ADC）將模擬艮的輸入信?:轉(zhuǎn)換為數(shù)7最的輸岀?般ADC轉(zhuǎn)換過(guò)甩是通過(guò)抽執(zhí)保待、駅化、編碼這四個(gè)步驟完成的，在電埒中這些步驟往往足合并進(jìn)疔的。評(píng)價(jià)ADC性能好壞的主要技術(shù)措杯仃分耕率、轉(zhuǎn)換速度及相對(duì)特度軫.ADC分坍率是新ADC能夠分辨的訊小棋擬站?它的位數(shù)越袒量化的階悌越小.分褂率也就越忙?惻此.分辨率好壞也說(shuō)明f轉(zhuǎn)換宿度，分辨率常用ADC輸出??進(jìn)制陽(yáng)的位數(shù)來(lái)表示。如果輸入的模擬電壓滿量程為10V,那么8位的ADCMf以分耕的最小電斥是10/2BMOfimV.而12位的ADC可以分辨的荒小電壓是10/2122.41mV.可見(jiàn)ADC位數(shù)觸多.它的分辨率愈好.轉(zhuǎn)換速度兄描完成-次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)何「轉(zhuǎn)換時(shí)何足從轉(zhuǎn)換捽劃信弓開(kāi)始到輸出處定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。股來(lái)說(shuō).低速度的ADC完成一次轉(zhuǎn)換所以的時(shí)間毅在廣30ms?中速度為50us左右.髙速度的可達(dá)10ns.模數(shù)轉(zhuǎn)換電滋足本系統(tǒng)的核心部分之??它決定采樣的精度和連演?為f實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)和關(guān)的輸出信匕的高速采樣，并且保證較扁的將確度，根據(jù)以上條件我們選M12位軸度、265ksps來(lái)樣速率的模故轉(zhuǎn)換器M/VC1295.5-3-2芯片KAX1295介紹MAX1295是一種低功耗、12侍逐次逼近式棋數(shù)轉(zhuǎn)換器.具有自動(dòng)降低功耗、快速喚常（2”＞的MAX1295在煨大采樣連率26、ksps時(shí)?功凈消耗只H5,4mW.兩個(gè)可選的軟件設(shè)近低功耗模式可使MAXI295在轉(zhuǎn)PiJ，/V停止工作，通過(guò)訪問(wèn)片行接「】返冋到￡??作狀態(tài).低功耗可以在低速采樣率下降低1（）必以下的T作電流MAX1295枝數(shù)轉(zhuǎn)換器使用逐次遍近轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)輸入信號(hào)采樣/保持最終梅輸入的模擬侑弓轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號(hào)輸出。這種輸出格式給林準(zhǔn)微處理器提供了?個(gè)簡(jiǎn)弧的接口.圖54為芯片MAX1295的工作時(shí)序圖：云—rmrLRTLrmmuumfimLnRDa5.4數(shù)攜傳輸時(shí)序田D7-D0咤X紐歹~x~rwrw.wionn(SIATTYM^umniiwXXMXHISIT1OIFig,5.4TimingDiagramforFastestConxcrsioiiIIII：圖町知MAX12954WRT；號(hào)的上升沿進(jìn)入T/H階段的第一步采樣.在外部采集模式下.MAX1295住接下來(lái)的阪佔(zhàn)號(hào)的上升沿進(jìn)入保持階段.而杵內(nèi)部采集模式下?它是金寫入拎制字“厲第I片個(gè)時(shí)鐘的卜降沿進(jìn)入保持階段，在單端梭式卜操作時(shí)?IN?和COM連接起來(lái).轉(zhuǎn)換濡對(duì)從“十進(jìn)入的輸入侑號(hào)進(jìn)行抽樣“在擬微分操作模式下?IN?和負(fù)極輸入連接起來(lái)，迸行對(duì)ads[(IN+)?(IN?)]的抽樣.。卜次轉(zhuǎn)換開(kāi)始的時(shí)候，正極輸入重新連檢到IN+井RCHOLD變?yōu)檩擜eMAX1295在T/H階段炎供/?一個(gè)250kHz的全線和3MHz的全功率帯寬?MAX1295通過(guò)寫控制字節(jié)來(lái)選擇務(wù)路開(kāi)關(guān)的通道來(lái)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)榨，片配近MAX1295為極操作或般極操作.一個(gè)均脈沖回口?匕5)町以開(kāi)始-個(gè)采集區(qū)間也可以啟動(dòng)聯(lián)合采集和的轉(zhuǎn)換。采乗何隔任采集區(qū)間終瑞爾定。采集模式(acquisitionmodc^CQMOD)位在輸入控制中為采集信號(hào)握供了兩個(gè)網(wǎng)種屬性：內(nèi)部采尖和外部采眩這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)稈需耍持續(xù)13個(gè)時(shí)鐘周期。右轉(zhuǎn)換過(guò)程中放棄轉(zhuǎn)換或者是開(kāi)始績(jī)的內(nèi)部采第都要寫一個(gè)新的控制了節(jié)?！?-4系統(tǒng)主要硬件模塊的設(shè)計(jì)5-4-1A/D模塊MAX1259網(wǎng)mMAX1259網(wǎng)mRUWJMAX1259網(wǎng)mRUWJ■入.(I雨abaMwgallggCM>wwMlwINmmwlEZ町B2IIPOK3MAX1259網(wǎng)mRUWJ■入.(I雨abaMwgallggCM>wwMlwINmmwlEZ町B2IIPOK3H3_PCI_K0MYPM￡&&—JMPA3PADA/D轉(zhuǎn)換模塊MAX1295U片內(nèi)時(shí)鐘.2.5V的內(nèi)部參照電壓、12位高速井口,模擬電壓的輸入范閘為2.7V>3.6V0在單端模式下.MAX!295仃六個(gè)模擬輸人通道、28個(gè)腳針?使用逐次逼近轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)端I入伯號(hào)采樣/保持故終將輸入的模擬佔(zhàn)號(hào)轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字仿號(hào)輸岀?上圖足我們?cè)O(shè)計(jì)的A/D原理附具讀'與控制信號(hào)ffUSB微護(hù)制器的編卑接口提供?時(shí)紳采用內(nèi)部的ADCLK時(shí)討?12位的數(shù)擁輸出宜接與做控制器相連。5-4-2ISB芯片CY7C68013A模塊54-21i&用CY7C68013A的SlaveFIFO模式盡管基此芯片開(kāi)發(fā)的設(shè)備可以利用其芯片I人部的CPU參9USB的數(shù)據(jù)傳輸.但足火多數(shù)詣況FWJ只是將此芯片簡(jiǎn)單用作上機(jī)M外部數(shù)據(jù)處理邏輯(例如ASIC?DSP?IDE捽制器)Z間USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，把芯片?nèi)部的CPU解放出來(lái).提島數(shù)拯的傳輸速反翩.在芯片內(nèi)的CPU不參與的情況下.USB數(shù)據(jù)杲經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)的端點(diǎn)FIFOs在主機(jī)和外部數(shù)拡?zhí)幚磉壿媄何傳輸?shù)?端點(diǎn)FIFOs為外部邏軻電路捉供常用的時(shí)鐘信號(hào)，(ablc-Icscl).讀寫信號(hào)和輸出使能怙號(hào)等.這些FIFOfri號(hào)必須被個(gè)FIFOFwsicrf控制，芯片工作在GP1F(GeneralProgrammableInterlace)模」弋時(shí)?有*個(gè)內(nèi)部FIFO"nw$(cr"來(lái)捽制?但是此時(shí)不包扌舌標(biāo)湃的FIFO摟「I?需嬰対GPIF編稈來(lái)完成’而當(dāng)芯片工作在“Sla、cFIFO?祺式的時(shí)候?它的FIFOs被外部的Fasic廣擰制.芯片丁作在此模式下.實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)單.而且速度完全能滿足頂II需求.我忙選用芯片的SLaxcFIFO傳輸検式.通過(guò)將1FCONFIG奇玄器的IFCFG1:O位設(shè)胃為II來(lái)選井SLa>cFIFO蹴式。芯片對(duì)SlaveFIFOs的操作圖如圖5.6下所示：Fig.5.6SlaxcFIFOs'Rolcinthechip圖中標(biāo)明了四個(gè)Sla\eFIFOs(EP2、EP4、EP6.EPX)■通過(guò)對(duì)WORLDIDE設(shè)迸FIFOs工作在X位數(shù)館傳輸模式，也可以設(shè)近為16位操作模武。表57列舉了與SlaxeFIFOsW關(guān)的硬件寄存器：表5?1SlaveFIFOs相關(guān)的奇右器Table5.1RegistersAssociatednilhSlaveFIFOHardwareIFC0NFIGEPXFTFOPFH/LPTNH.AGSABPORrACFCPINFUGSCDINPKTENDIlFORESETEPXFIF01EPl卩OPINPOLAREPXFIFOIRQEPXCFGEPXFIFOBCH幾EPXF1F0CFGEPXFLAGSEPXAUTOINLENH:LEPXFrPOBIJF64-2-2若片的主要外圍連線和時(shí)序特性芯片CY7C68OI3A工作在"SLaeFIFO”棋式卜在對(duì)FIFO進(jìn)行異步寫操作時(shí)與捽制芯片ATmcga64的連線圖如圖5.7所示