摘 要：在某些信號采集系統(tǒng)中，傳感器的工作電壓隨著環(huán)境的變化而變化，這時高速的數(shù)據(jù)處理能力以及高精度的反饋控制能力就顯得至關(guān)重要。介紹由TMS320VC5416和MAX5633所架構(gòu)的生物信號傳感器控制系統(tǒng)，給出高精度多通道D/A在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用方法，著重討論TMS320VC5416與MAX5633的一種串行接口連接方法以及相關(guān)的軟件實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)能成功地解決工作電壓變化所帶來的問題，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計具有指導作用。

關(guān)鍵詞：生物信號；DSP；MAX5633；D/A；SPI

中圖分類號：TN41，TP33文獻標識碼：B文章編號：1004373X(2008)2019203

DSP Control Loop in Data Acquisition System

GE Xiaofei，PENG Xueming

(Institute of Equipment of Beijing，Beijing，100854，China)

Abstract： In some signal collection system，the work voltage changes with the environment.At that time，a high speed and precision feedback system is very important.A biology signal sensor control system compacted by TMS320VC5416 and MAX5633 is presented in this article.Application of a high precision and multicenter D/A signal collection system is discussed.The hardware and software are also given.This system solves the problem brought by the change of the sensor′s work voltage，and is voluable to guiding the signal collection system design.

Keywords：biology signal;DSP;MAX5633;D/A;SPI

1 引 言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理器（DSP）得到了廣泛的應用，基于A/D，DSP，D/A的數(shù)據(jù)采集模式已經(jīng)被大多數(shù)人所接受。在現(xiàn)代生物信號采集方案中，人們不僅要求系統(tǒng)有高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且還要求其有高速的數(shù)據(jù)處理能力和高精度、多通道的D/A轉(zhuǎn)換能力。

本文的目的是設(shè)計一個生物信號傳感器的控制系統(tǒng)。在一些信號采集回路中，某些傳感器的最佳工作電壓隨著環(huán)境的變化而變化，這就要求系統(tǒng)在正式采集有效信號前將傳感器調(diào)到最佳工作電壓。這時系統(tǒng)不僅要求高速的數(shù)字信號處理能力，而且要求對前端多路傳感器的適時控制，于是選擇由TMS320VC5416和MAX5633所組成的生物信號采集控制系統(tǒng)。以下重點分析SPI口的配置以及DSP通過SPI對MAX5633進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a實現(xiàn)。

2 芯片介紹

C5416屬于TI公司TMS320C54X系列DSP芯片，是一種低功耗、高性能的定點DSP芯片。它的主要特點有：運算速度快，可達160 MIPS。優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu):內(nèi)部有1個40位的算術(shù)邏輯單元（ALU）、2個40位的累加器、2個40位的加法器、1個乘法器和1個40位的桶型移位器、有4條內(nèi)部總線和2個地址發(fā)生器。多總線結(jié)構(gòu):包括3條獨立的16位數(shù)據(jù)總線和1條23位的地址總線。低功耗方式:TMS320C5416 DSP可以在3.3 V，1.6 V的低電壓下工作，3種低功耗方式（IDLE1，IDLE2和IDLE3）可以節(jié)省DSP功耗。智能外設(shè):包括軟件可編程等待狀態(tài)寄存器、可編程PLL時鐘發(fā)生器、1個16位的計數(shù)器、6個DMA控制器、3個多通道緩沖串行口（McBSP0-2）和與外部處理器通信的HPI（Host Port Interface）接口^［1］ 。

MAX5633是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種32通道高精度采樣保持D/A轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)含1個16位DAC、1個帶內(nèi)部時鐘的時序控制器、1個片內(nèi)RAM以及32路采樣保持放大器。其中DAC電路由2部分組成。在16位DAC中，高4位可通過15個同值電阻組成的權(quán)電阻網(wǎng)絡完成相應的轉(zhuǎn)換，其余位的轉(zhuǎn)換則由1個12位R-2R梯形網(wǎng)絡來完成。其32路帶緩沖的采樣保持電路通過內(nèi)部保持電容來使輸出壓降維持在每秒1 mV的范圍內(nèi)，且不需要配置外部增益和偏置電路。MAX5633能提供最大200 μV的分辨率和0.015%FSR的高精度轉(zhuǎn)換，其輸出電壓范圍為-4.5~9.2 V。其理論輸出電壓由參考電壓、增益以及輸入的編碼共同決定:

VOUT=(code65 535)×VREF×5.242 8－(1.621 4×

VREF)+VGS

其中:code是5633輸入的16位二進制代碼；VREF是MAX 5633的輸入?yún)⒖茧妷?；VGS是地的敏感輸入電壓，通常直接接地。MAX5633具有工作溫度范圍寬以及串行接口靈活等特點，適用于處理大量模擬數(shù)據(jù)輸出的場合。

3 系統(tǒng)工作模式

MAX 5633的轉(zhuǎn)換過程是先從串行數(shù)據(jù)端DIN送進要轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)D15~D0(高位在前，低位在后)，然后送進5位地址A4~A0(用這5位地址編碼來選擇輸出的通道號)。地址的后2位是控制字C1和C0，其中C1為1是立即更新模式，為0則為觸發(fā)模式;C0為1表示選擇外部時鐘序列，為0則選擇內(nèi)部時鐘序列。Cl，C0之后應補1位0。當片選CS變低后，系統(tǒng)將在每一個時鐘的上升沿送進一位數(shù)據(jù)。送完最后一位數(shù)據(jù)(即第24個數(shù)據(jù)后)后片選CS變高。而當CS為高電平時，任何輸入數(shù)據(jù)都無效。

MAX 5633有3種工作方式分別為順序模模式、立即更新模式和碎發(fā)模式。其中順序模式為默認工作模式。通過設(shè)定C1=1將MAX 5633配置成立即更新模式。立即更新模式用于更新單個SRAM的內(nèi)容，同時更新相應的采樣保持放大器輸出。在這種模式下，所選擇的通道輸出會在順序操作恢復前更新。用戶可以通過設(shè)置IMMED或使C1為高電平選擇立即更新模式。當片選CS為低電平時，原訪問順序被打斷。輸入字被存儲在對應于被選擇通道的SRAM中。此時DAC轉(zhuǎn)換和相應的采樣保持對輸入串口完全透明。相應的輸出通道將得到立即更新。更新后，時序?qū)⒒氐皆瓉碇袛嗟腟RAM地址重新開始順序更新。立即更新操作需要占用2個時序周期，其中一個周期用來使時序控制器繼續(xù)完成正在進行的操作，另一個用來進行新數(shù)據(jù)的更新。

MAX 5633的輸入口為SPI接口，要實現(xiàn)MAX5633與DSP通信，需將TMS320VC5416的MCBSP0口配置成SPI口。MCBSP在結(jié)構(gòu)上可分為1個數(shù)據(jù)通道和1個控制通道。表1給出了有關(guān)引腳的信號定義。DX引腳負責數(shù)據(jù)的發(fā)送，DR引腳負責數(shù)據(jù)的接收，另外4個引腳提供控制信號（時鐘和幀同步）。C5416通過片內(nèi)的外設(shè)總線訪問串口的控制寄存器實現(xiàn)與MCBSP的通信和控制。

數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。CPU和DMA控制器向數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器（DXR）中寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)接收寄存器（DRR）讀取接收到的數(shù)據(jù)。寫入DXR的數(shù)據(jù)通過發(fā)送移位寄存器（XSR）移位輸出至DX引腳。同樣，DR引腳上接收到的數(shù)據(jù)先移位進入接收轉(zhuǎn)換寄存器（RSR）中，然后被復制到接收緩沖寄存器（RBR），RBR再將數(shù)據(jù)復制到DRR中，最后等待CPU和DMA控制器讀取數(shù)據(jù)。這種多級緩沖方式使得片內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移和外部數(shù)據(jù)的通信可以同時進行。

表1 McBSPx接口引腳說明

引腳I/O/Z說明

CLKRI/O/Z接收時鐘

CLKXI/O/Z發(fā)送時鐘

DRI串行數(shù)據(jù)接收

DXO/Z串行數(shù)據(jù)發(fā)送

FSRI/O/Z接收幀同步

4 硬件連接電路

MAX 5633與TMS320VC5416的硬件連接如圖1所示。片選CS可控制MAX 5633是否被選中。CS為低后，所有的轉(zhuǎn)換開始有效。DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為外部時鐘輸入。CLKSEL為時鐘選擇端，當C0或者該腳為高電平時，系統(tǒng)選擇外部時鐘模式，此時內(nèi)部時鐘模式將被關(guān)閉。所給出的硬件連接圖為外部時鐘模式。ECLK為外部時鐘模式控制引腳，可用于控制外部時鐘。RST為輸入復位端。DSP的BCLK0口與D/A的SCLK相連作為MAX 5633的外部時鐘，DSP的BDX0口與D/A的DIN相連作為MAX 5633的數(shù)據(jù)輸入，DSP的BFSX0口與D/A的/CS相連作為MAX 5633芯片選擇端。由于MAX 5633輸入?yún)⒖茧妷狠^多，為了盡量減小電壓的波紋對其精度的影響，需要根據(jù)實際情況進行濾波^［3］。

圖1 硬件連接圖

5 軟件程序設(shè)計

下面是針對硬件連接電路給出相應的C語言程序^［4］。該程序?qū)CBSP0配置成時鐘停止模式(SPI)的主模式。其中SPI的時鐘設(shè)置成1 MHz，幀數(shù)據(jù)長度為24位^［5］(如圖2所示)。幀的24位中C0，C2為控制方式選擇位;A0～A4為通道選擇位，可以選擇0～31共32個通道;D0～D15為需要傳輸?shù)?6位數(shù)據(jù)。

圖2MAX5633輸入字序

void init_mcbsp()

{*SPSA0=SPCR10;

*SPSD0=0x0000;

*SPSA0=SPCR20;

*SPSD0=0x0000;

*SPSA0=SPCR10;

*SPSD0=0x1800;

*SPSA0=PCR0;

*SPSD0=0x0B08;

*SPSA0=SRGR10;

*SPSD0=0x00A0;

*SPSA0=SRGR20;

*SPSD0=0x2000;

*SPSA0=RCR10;

*SPSD0=0x0080;

*SPSA0=RCR20;

*SPSD0=0x0081;

*SPSA0=XCR10;

*SPSD0=0x0080;

*SPSA0=XCR20;

*SPSD0=0x0081;

*SPSA0=SPCR10;

*SPSD0=0x1821;

*SPSA0=SPCR20;

*SPSD0=0x00E1;

asm(\"NOP\");

asm(\"NOP\");

}

由于SPI每次傳8位數(shù)據(jù)，故傳輸16位數(shù)據(jù)需要傳3次，先傳控制字，再傳數(shù)據(jù)的低8位，最后傳數(shù)據(jù)的高8位。系統(tǒng)可以通過改變tempchan選擇需要傳輸?shù)耐ǖ?。下面是傳?6位數(shù)據(jù)的代碼^{［6，7］}

tempdata=i1;

tempdata=tempdata0x00ff;

temp［1］=tempdata;

tempdata=i2;

tempdata=tempdata0xff00;

tempdata>>=8;

temp［2］=tempdata;

tempchan=0;

tempchan<<=3;

tempchan|=0x06;

temp［0］=tempchan;

asm(\"rsbx INTM\");

*IMR=0x0020;

m=0;

*DXR10=temp［0］;

while(1)

{

if(m= =2)

break;

}

系統(tǒng)在while(1)循環(huán)過程中，等待MCBSP0口的發(fā)送中斷，再將剩下的2個字節(jié)發(fā)送出去。

6 結(jié) 語

本文所介紹的方案已經(jīng)取得了預期的效果，D/A的數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mb/s，并且還可以根據(jù)實際需要進行提高。該方案已經(jīng)成功地運用于系統(tǒng)中，使傳感器穩(wěn)定在它的最佳工作電壓處工作。該系統(tǒng)中DSP對D/A的控制傳輸無論從精度上還是速度上均完全能夠滿足系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)所采用的模式以其高精度、多通道等特點將對以后的傳感器工作電壓隨環(huán)境變化的系統(tǒng)設(shè)計具有指導意義，并對其他形式的信號采集控制系統(tǒng)的設(shè)計有借鑒作用。

參考文獻

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［7］喬瑞萍，崔濤.TMS320C54x DSP原理及應用\\.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

作者簡介 葛曉飛 北京機械設(shè)備研究所碩士研究生。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文