蔡鈞璞, 陸亦懷

(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽合肥 230031)

數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing,簡稱DSP)技術(shù)是基于可編程超大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的一門重要技術(shù)。DSP芯片的快速數(shù)據(jù)采集與處理功能以及片上集成的各功能模塊為DSP廣泛應(yīng)用提供可能。數(shù)據(jù)采集是DSP的最基本應(yīng)用領(lǐng)域,也是控制過程中的重要環(huán)節(jié),因此有必要對基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。本文采用 TI公司的TMS320F2812DSP芯片實(shí)現(xiàn)了對濱淞公司的NMOS線陣器件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),系統(tǒng)軟件在CCS3.3平臺下開發(fā)。

TMS320F2812是TI公司推出的功能強(qiáng)大的定點(diǎn)DSP,它最大的特點(diǎn)是速度相比之前的DSP芯片有了質(zhì)的飛躍,達(dá)到150 MHz,指令周期為6.67 ns,處理數(shù)據(jù)位數(shù)達(dá)到32位定點(diǎn)。此外TMS320F2812擁有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD數(shù)據(jù)采集,以及豐富的外設(shè)接口,如SPI、SCI等[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備驅(qū)動(dòng)光電探測器,將光電探測器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,接收數(shù)字信號以及完成數(shù)據(jù)上傳功能。

TMS320F2812事件管理器的通用定時(shí)器產(chǎn)生PWM波形來驅(qū)動(dòng)光電探測器C5964-0910,探測器輸出的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX195進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,由DSP的SPI串行I/O模塊采集并儲存在片上存儲器內(nèi),最后通過串行通信接口(SCI)上傳給 PC機(jī)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 光電探測器的驅(qū)動(dòng)和控制

系統(tǒng)采用HAMAMATSU公司C5964系列512像素的C5964-0910型NMOS線陣探測器,測量波長范圍覆蓋紫外至近紅外區(qū)域(最大達(dá)到1 000 nm),其主要信號引腳包括模擬信號輸出腳DATA VIDEO、探測器的時(shí)鐘信號管腳CLK、探測器數(shù)據(jù)輸出起始信號管腳START、中斷觸發(fā)信號管腳TRIGGER以及停止信號管腳EOS。

2.1 C5964-0910型探測器的硬件連接

為完成對光電探測器的驅(qū)動(dòng)和控制,需要生成2路PWM波形作為探測器的CLK和START輸入信號。TMS320F2812包含EVA和EVB 2個(gè)事件管理器,每個(gè)事件管理器都有2個(gè)通用計(jì)時(shí)器,而每個(gè)通用計(jì)時(shí)器都可以獨(dú)立生成PWM波。本采集系統(tǒng)中,使用的是EVA事件管理器的2個(gè)定時(shí)器。圖2所示為光電探測器與DSP主要管腳的硬件連接,T1PWM為定時(shí)器GP1生成波形的輸出腳,T2PWM為定時(shí)器GP2生成波形的輸出腳。DSP的T1PWM管腳與探測器的 CLK管腳相連,為探測器提供周期為4 μ s、占空 比為 50%的 方波信 號。DSP的T2PWM管腳與探測器的START管腳相連,為探測器提供周期為25 ms,脈寬為2個(gè)CLK周期(8 μ s)的信號 。

T RIGGER腳與 TMS320F2812的非可屏蔽中斷引腳(NMI)相連,觸發(fā)中斷采集程序,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;EOS腳與XINT2中斷引腳相連,當(dāng)光電探測器數(shù)據(jù)輸出完畢后將發(fā)出該中斷,在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉數(shù)據(jù)采集程序。

圖2 DSP2812與C5964-0910的硬件連接示意圖

2.2 探測器驅(qū)動(dòng)的軟件設(shè)計(jì)

TMS320F2812用30 M外部晶體提供時(shí)鐘,使能片上PLL電路后通過對PLL控制寄存器PLLCR低4位控制,確定PLL倍頻系數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,通過PLL倍頻及高速外設(shè)時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)分頻為EVA的定時(shí)器提供頻率為60 MHz的時(shí)鐘信號。每個(gè)定時(shí)器都有各自獨(dú)立的計(jì)數(shù)寄存器(T xCNT)、比較寄存器(TxCMPR)、周期寄存器(T xPR)和控制寄存器(TxCON)。下面通過對這些寄存器進(jìn)行配置,生成驅(qū)動(dòng)光電探測器所需的2路PWM 信號[2]。

生成CLK信號的部分配置代碼如下:

生成START信號的部分配置代碼如下:

配置時(shí)設(shè)置了定時(shí)器 2的周期中斷,這樣START信號的每個(gè)脈沖下降沿都會產(chǎn)生一個(gè)中斷,DSP將在這個(gè)中斷里采集和上傳數(shù)據(jù)[3]。

3 光電探測器數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換和采集

給光電探測器輸入符合要求的CLK信號和START信號后,在DATA VIDEO管腳上會有模擬數(shù)據(jù)輸出。這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才能被DSP的SPI模塊采集并且上傳給PC機(jī)。

3.1 TMS320F2812的SPI模塊簡介

TMS320F2812提供的串行外設(shè)接口(SPI)是一個(gè)高速同步的串行輸入輸出接口,其通信速率和通信數(shù)據(jù)長度都是可編程的。在簡單工作模式下,SPI通過移位寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,即通過SPIDAT寄存器移入和移出數(shù)據(jù)。此外還可以通過可編程寄存器設(shè)置SPI接口的工作方式及工作時(shí)的各個(gè)參數(shù)。

在本系統(tǒng)中,使用SPI模塊的主動(dòng)工作方式,SPISOMI作為輸入引腳,用來鎖存ADC輸出的每一位數(shù)據(jù);SPISIMO作為輸出引腳將其懸空;SPICLK引腳為整個(gè)串行通信網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)鐘,ADC的CLK由SPICLK提供時(shí)鐘脈沖,從而保證其與SPI工作的周期匹配;SPIST E引腳作為對ADC的片選信號,可以由SPI自動(dòng)驅(qū)動(dòng),在本系統(tǒng)中選擇用軟件手動(dòng)驅(qū)動(dòng)[4]。

3.2 MAX195的功能及工作方式

本系統(tǒng)中使用Maxim公司生產(chǎn)的16位逐次逼近式串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX195作為轉(zhuǎn)換工具。MAX195有異步轉(zhuǎn)換傳輸方式和同步轉(zhuǎn)換傳輸方式,本系統(tǒng)中使用同步轉(zhuǎn)換傳輸方式,即在轉(zhuǎn)換周期中以CLK時(shí)鐘頻率將轉(zhuǎn)換好的上一個(gè)數(shù)據(jù)位輸出。這種工作方式可以實(shí)現(xiàn)最大的轉(zhuǎn)換傳輸速度。

3.3 MAX195的硬件連接

根據(jù)同步轉(zhuǎn)換傳輸方式的需要及采集系統(tǒng)時(shí)序的要求,將SCLK管腳和EOC管腳接地、參考電壓輸入端(REF)接4.096 V電壓、Ain管腳與光電探測器的模擬數(shù)據(jù)輸出端相連、Dout管腳與DSP的SPI串行模塊數(shù)據(jù)輸入管腳(SPISOMI)相連、時(shí)鐘信號 CLK接 DSP的SPI模塊SPICLK管腳(保證 MAX195與SPI模塊時(shí)序同步)、CS片選信號與SPI的SPISTE信號相連、轉(zhuǎn)換開始控制信號(CONV)及復(fù)位信號(RESET)分別與DSP上的自定義I/O管腳GPIOA15和GPIOA14相連,如圖3所示[5]。

圖3 M AX195硬件連接示意圖

3.4 MAX195進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序控制

圖4所示為MAX195工作時(shí)序圖。CS信號與CONV信號并為一路,可以簡化硬件連接及程序設(shè)計(jì)。A/D轉(zhuǎn)換從CS的下降沿開始,在第2個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的第1個(gè)數(shù)據(jù)位MSB,并鎖存在輸出端口Dout,往后的每個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿輸出一位轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)位,直至將數(shù)據(jù)的第16位(最低位)輸出至 Dout后,CS與CONV信號置為高電平,EOC信號置低,完成一個(gè)輸入數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換[6]。

因?yàn)镸AX195的最大工作頻率為1.7 MHz,而其時(shí)鐘信號使用的是SPI的SPICLK信號,所以必須將SPI工作頻率限制在1.7 MHz以內(nèi)。配置SPI波特率寄存器:SpiaRegs.SPIBRR=19,由波特率計(jì)算公式,波特率=LSPCLK/(spibrr+1)=30 M/20=1.5 M,其中 LSPCLK為低速外設(shè)時(shí)鐘。

圖4 M AX195同步轉(zhuǎn)換傳輸方式時(shí)序圖

其次,MAX195要求CONV信號的下降沿出現(xiàn)在CLK信號為低電平時(shí),因此,需要將SPI配置為數(shù)據(jù)在上升沿輸出且輸入數(shù)據(jù)鎖存在下降沿,當(dāng)無SPI數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),SPICLK處于低電平。寄存器設(shè)置如下:

此外,一個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束到下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期開始,必須經(jīng)過至少3個(gè)CLK周期的等待時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中,將EOC管腳與CONV管腳直接相連,因此當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后,EOC變?yōu)榈碗娖?CONV腳也將被拉低,從而啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。

4 DSP綜合設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

在完成光電探測器的驅(qū)動(dòng)控制以及MAX195ADC與DSP的SPI串行模塊時(shí)序協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上,通過設(shè)置中斷和循環(huán)控制進(jìn)一步綜合編程,并最終實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)上傳PC機(jī)。圖5所示為完整的采集系統(tǒng)流程。

圖5 完整的光電探測器數(shù)據(jù)采集流程圖

4.1 DSP系統(tǒng)初始化及中斷設(shè)置

在DSP上電后對其進(jìn)行一系列初始化過程,在初始化中斷向量表之后,要根據(jù)程序中具體使用到的中斷重新分配中斷服務(wù)的中斷向量,這樣才能保證相應(yīng)的中斷被觸發(fā)后能正確進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,一共用到了3個(gè)中斷,分別是EVA定時(shí)器2的周期中斷、光電探測器發(fā)出的 TRIGGER中斷和EOS中斷。因此,要將中斷向量表中相應(yīng)的向量與中斷服務(wù)子程序建立一一對應(yīng)的關(guān)系,并通過軟件使能這些中斷。部分設(shè)置代碼如下:

根據(jù)圖5的流程,在整個(gè)采集系統(tǒng)中會出現(xiàn)中斷嵌套,即在EVA的GP2周期中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生TRIGGER信號中斷及EOS信號中斷,故在相應(yīng)的中斷程序中要正確地禁止或使能中斷,以保證整個(gè)流程運(yùn)行正常,不會因出現(xiàn)非法中斷而導(dǎo)致程序停滯[7]。

4.2 數(shù)據(jù)初步處理

SPI模塊接收到的MAX195A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù),并不是需要的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),還需要進(jìn)行一些簡單的處理。MAX195是16位A/D轉(zhuǎn)換器,其輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制數(shù)。SPI模塊的串行接收緩沖寄存器(SPIRXBUF)及用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的位移寄存器(SPIDAT)均為16位,然而根據(jù)圖5所示的MAX195轉(zhuǎn)換時(shí)序,其每次轉(zhuǎn)換都要在2個(gè)時(shí)鐘周期之后的第3個(gè)脈沖下降才輸出第1位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),當(dāng)脈沖信號出現(xiàn)后SPI模塊就會在每個(gè)脈沖下降沿鎖存SPISOMI引腳上的數(shù)據(jù)。因此,為讀取MAX195轉(zhuǎn)換的16位二進(jìn)制數(shù)據(jù),需要通過SPI的SPIDAT寄存器向SPIRXBUF寄存器移入2組數(shù)據(jù),再將這2組數(shù)據(jù)中相應(yīng)的有效數(shù)據(jù)位進(jìn)行組合,得到16位A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。

4.3 數(shù)據(jù)上傳

采集到數(shù)據(jù)后,由DSP的SCI串行口將數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī),數(shù)據(jù)可以在收到每個(gè)EOS中斷信號后自動(dòng)上傳也可以通過設(shè)置DSP的SCI接收中斷,由PC機(jī)給DSP發(fā)出指令,DSP收到指令后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)上傳。注意將DSP的SCI串行口的傳輸速率設(shè)置成與PC機(jī)上串口接收工具相吻合,否則會接收到不正確的數(shù)據(jù)[8]。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光電探測器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集上傳,也可根據(jù)需要發(fā)送命令進(jìn)行手動(dòng)數(shù)據(jù)采集。如果將程序中的諸如CCD的START信號周期用變量來表示,可以方便地更改探測器的積分時(shí)間,使采集系統(tǒng)在使用上更加靈活,也更易控制。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有需要改進(jìn)的地方。由于串行口的傳輸速率較慢,通過DSP的SCI上傳數(shù)據(jù)給PC機(jī)會占用很多的時(shí)間,如果需要連續(xù)采集數(shù)據(jù),會出現(xiàn)DSP緩沖區(qū)不夠用,這樣有的數(shù)據(jù)還未上傳就被新的數(shù)據(jù)覆蓋。因此,可以嘗試使用DSP片上攜帶的以太網(wǎng)芯片,通過與PC機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

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