陳建華

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?為了完成對(duì)信號(hào)的高精度測(cè)量，以ADS8364和DSP為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了高精度數(shù)據(jù)采集體系方案。給出該體系硬件結(jié)構(gòu)圖和重要電路模塊的設(shè)計(jì)思路，并解釋系統(tǒng)軟件的框架與設(shè)計(jì)流程以及如何通過軟件編程來提高數(shù)據(jù)采集的速度。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于傳感器信號(hào)采集、工業(yè)控制等場(chǎng)合中，具有非常好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?DSP;ADS8364;高精度;數(shù)據(jù)采集

[中圖分類號(hào)] ?TP274+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號(hào)] ?2096-0603（2019）16-0048-02

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，美國德州儀器公司于1983年推出了自身的第一代DSP芯片，并取得了很大的成功。該芯片選用了哈佛結(jié)構(gòu)，并擁有16比特的字長，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令功能，并且另有個(gè)特殊的指令集來進(jìn)行累乘、累加讀入等運(yùn)算，一乘加運(yùn)算的時(shí)間只要390ns。在當(dāng)時(shí)DSP5600是另一個(gè)比較成功的DSP芯片，它是由Motorola公司生產(chǎn)的。DSP32芯片是早期具有高性能浮點(diǎn)型的芯片，它是AT&T公司于1984年推出的。

一、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年來，伴隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科發(fā)展較快。DSP處理器已經(jīng)在我國的許多方面得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在數(shù)字通信、電子對(duì)抗、圖像處理、信號(hào)處理、雷達(dá)等方面，為國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)建設(shè)創(chuàng)造了很大的價(jià)值。我國的科研人員經(jīng)過對(duì)先進(jìn)的DSP芯片的研究，在PCB板設(shè)計(jì)方面汲取了寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并研制出少許高性能處理設(shè)備的解決方案。

二、國外研究現(xiàn)狀

簡略國際DSP處理發(fā)展的近況，能夠看出國外的商業(yè)化信號(hào)處理設(shè)備一向保持著快速的發(fā)展勢(shì)頭，歐美等科技大國保持著國際領(lǐng)先的地位。他們中很多已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)大的規(guī)模，譬如，美國DSP research公司，加拿大Dy4公司等，他們之間的競(jìng)爭(zhēng)也變得越來越劇烈。

三、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)的基本參數(shù)

（1）DSP系統(tǒng)工作主頻150MHZ;（2）電壓測(cè)量精度優(yōu)于0.5%;（3）實(shí)現(xiàn)DSP的串口通信。

（二）DSP的選型

TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器采用DSP和微控制器最佳功能的集成，當(dāng)前已發(fā)展至150MHz的Flash模式。

綜合以上性能指標(biāo)以及本設(shè)計(jì)所要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，本設(shè)計(jì)選用TMS320F2812芯片。該芯片是TI公司在C2000微處理器平臺(tái)上推出的新一代32位定點(diǎn)/浮點(diǎn)DSP芯片，具有多種外設(shè)和存儲(chǔ)器配置，可滿足不同的控制要求。

（三）硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖為一個(gè)典型的DSP系統(tǒng)。先讓AD采集外部電壓送入DSP處理，然后經(jīng)過串口通信送入上位機(jī)進(jìn)行顯示電壓數(shù)據(jù)。

（四）系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

本方案采用的是TI公司的數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F2812，主要利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力和高速的指令周期，確?？刂破骺梢钥焖夙憫?yīng)ADS8364的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。軟件分為DSP初始化、ADS8364初始化、數(shù)據(jù)讀取三部分。

1.軟件初始化

定義初始化函數(shù)，主要工作完實(shí)現(xiàn)DSP的定時(shí)器、I/O口輸入輸出、SPI、外部中斷等功能的初始化。定義了初始化函數(shù)，通過SPI傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS8364的初始化。

2.數(shù)據(jù)讀取與處理

設(shè)置完成，ADS8364將進(jìn)入自動(dòng)采集模式，進(jìn)行高頻率的掃描，其通道得到采樣值后發(fā)送中斷信號(hào)至DSP2812的外部間斷，DSP2812進(jìn)行中斷響應(yīng)并讀取通道電壓采樣值。以上數(shù)據(jù)是通過SPI讀到的。在程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不要將數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換放入外部中斷功能里，應(yīng)在中斷函數(shù)里置標(biāo)記位，返回主程序處理。

四、數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)信號(hào)收集電路是電子系統(tǒng)中常用到的功能模塊，A/D是重要的數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)變電路。使用ADS8364實(shí)現(xiàn)A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，輸入的是直接從外部采集到的電壓信號(hào)，經(jīng)過ADS8364內(nèi)部的量化編碼，將外部采集到的模擬信號(hào)通過ADS8364轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紻SP中運(yùn)行，再通過內(nèi)部RAM的代碼搬運(yùn)加快運(yùn)行速度，并且在電壓測(cè)量中使電壓測(cè)量的相對(duì)誤差小于0.5%。

（一）A/D選擇及電路設(shè)計(jì)

為了確保體系處理結(jié)果的準(zhǔn)確度，A/D轉(zhuǎn)換器必須有充足的轉(zhuǎn)換精度，改變時(shí)間控制、檢測(cè)精度達(dá)到快速轉(zhuǎn)變信號(hào)的目的。A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集體系的核心器件，主要有采樣通道數(shù)、輸入范圍、輸入方法、采樣率、分辨率、精度、碼元寬度以及A/D轉(zhuǎn)換器精度等重要技術(shù)指標(biāo)，直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。因此，本次采用型號(hào)為TI公司的ADS8364芯片。ADS8364的主要特性如下所示：

（1）集成了6個(gè)16位ADC，且6個(gè)通道可以同時(shí)工作;（2）每個(gè)通道的單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為4us;（3）可以采用單端輸入或差分輸入;（4）最高采樣率為250KSPS;（5）簡單易用的數(shù)據(jù)接口。

（二）ADS8364工作原理

ADS8364的最大工作頻率可達(dá)5MHz，采樣/轉(zhuǎn)換可在20 個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期內(nèi)完成。ADS8364的6個(gè)通道能夠同時(shí)進(jìn)行采樣/轉(zhuǎn)換，吞吐率最大可達(dá)250ksps。ADS8364選用+5V工作電壓，并帶有80dB共模抑制的全差分輸入通道和6個(gè)4μs連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、六個(gè)差分采樣放大器。ADS8364的差分輸入可在-vref到+vref之間轉(zhuǎn)變。此外，在REFIN和REFOUT引腳里面還帶有+2.5V參考電壓。

ADS8364模數(shù)轉(zhuǎn)換器的六個(gè)16位ADCs可能成對(duì)的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。三個(gè)維持信號(hào)（■，■，■），開關(guān)可以驅(qū)動(dòng)指定通道。當(dāng)三個(gè)維持信號(hào)都選通時(shí)，將結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器里面。對(duì)于每一個(gè)讀操作，ADS8364都傳出16位數(shù)據(jù)，地址/模式信號(hào)（A0，A1，A2）不妨選取從ADS8364讀取數(shù)據(jù)，也能夠選擇單通道、單周期或FIFO模式。在ADS8364的■延續(xù)最少20ns的低電平時(shí)，轉(zhuǎn)變打開。

（三）數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集過程的基本工作原理為：

（1）DSP的定時(shí)器中斷定時(shí)觸發(fā)A/D啟動(dòng)轉(zhuǎn)換;（2）DSP期待ADS8364的EOC外部間斷;（3）檢測(cè)到EOC后，開始數(shù)據(jù)讀取;（4）發(fā)送數(shù)據(jù)處理緩存。

DSP和ADS8364采集系統(tǒng)是以TMS320F2812為系統(tǒng)控制中心，通過ADS8364模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)外部電壓信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)將采集結(jié)果經(jīng)DSP處理送入PC機(jī)顯示等功能。

五、DSP概述

TMS320F2812系列DSP有如下特征：

支持JTAG邊界掃描接口;

高性能32位CPU;

16×16位以及32×32位的乘法疊加操作;

16×16位的雙乘法累加器;

哈佛總線結(jié)構(gòu);

快速的間斷相應(yīng)和處置本領(lǐng);

統(tǒng)一的尋址模式;

4MB的程序/數(shù)據(jù)尋址空間;

高效的代碼轉(zhuǎn)換功效（C/C++和匯編）;

片上存儲(chǔ)器;

能夠達(dá)到128K的×16（F2812）閃存;

最多達(dá)128K×16位的ROM;

1K×16位的OTP ROM;

H0：一塊8K×16位的單周期訪問RAM（SRAM）。

（一）最小系統(tǒng)

DSP2812最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘系統(tǒng)、調(diào)試測(cè)試接口、供電電源以及復(fù)位和存儲(chǔ)器系統(tǒng)構(gòu)成。其中存儲(chǔ)器是可選的，這是因?yàn)楹芏郉SP芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但是對(duì)很多DSP應(yīng)用系統(tǒng)來說數(shù)據(jù)處理量比較大，一般都要外擴(kuò)RAM存儲(chǔ)器。

（二）晶振電路

本設(shè)計(jì)采用30M的晶體配合C25和C26兩個(gè)電容構(gòu)成晶振電路，是為了更好的起振。C25接外部晶體的一個(gè)引腳，C26接外部晶體的另一端。

（三）電源電路

DSP2812的電源分為兩部分：3.3V的FLASH電壓和1.8V的內(nèi)核電壓，DSP采用5V電源供電。本設(shè)計(jì)在考慮了DSPCPU內(nèi)核電壓、DSP外設(shè)電壓、Flash編程電壓以及模擬電路電壓等諸多方面的因素，其芯片型號(hào)為TPS70151。而且，為了減少電源噪聲和相互干擾，數(shù)字電路和模擬電路要獨(dú)立供電，數(shù)字地和模擬地也要分隔開，并最終通過一個(gè)磁珠在一點(diǎn)連在一起。

（四）FLASH模塊

TMS320F2812內(nèi)部具有128K×16位的Flash空間（4個(gè)8K×16位和6個(gè)16K×16位的空間），由于本設(shè)計(jì)DSP中所編譯的代碼段高于FLASH的存儲(chǔ)容量。

（五）RAM模塊

F2812的片內(nèi)存儲(chǔ)空間比較?。?8K×16位），基于本設(shè)計(jì)是一個(gè)需要較多數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間的系統(tǒng)，所以不得不外擴(kuò)RAM。

六、系統(tǒng)軟件功能模塊

（一）AD采集子程序的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能，需要進(jìn)行AD采集程序的設(shè)計(jì)。首先設(shè)置采樣通道和采樣接口，再復(fù)位ADS8364，緊接著開啟采樣電路，設(shè)置請(qǐng)求標(biāo)志，如果沒有則返回請(qǐng)求，如果有則啟動(dòng)采樣程序進(jìn)行采樣，采樣結(jié)束后將請(qǐng)求標(biāo)志清零，最后再返回申請(qǐng)采樣標(biāo)志，等待下一次采樣信號(hào)的到來。

（二）DSP代碼搬運(yùn)子程序的設(shè)計(jì)

F2812最高采樣時(shí)鐘頻率為150MHz，但當(dāng)程序?qū)懙紽lash中運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)降到原來在內(nèi)存中運(yùn)行時(shí)的60%～70%。在F2812里，代碼從內(nèi)部Flash里運(yùn)行時(shí)，比從內(nèi)部RAM里運(yùn)行要慢 30%左右，所以對(duì)運(yùn)行時(shí)間苛刻的程序直接在Flash里運(yùn)行，往往不能滿足要求。在這個(gè)時(shí)候，對(duì)時(shí)間更敏感或計(jì)算量比較大的子程序能夠在內(nèi)存中運(yùn)行，如A/D采樣子程序。但問題是，所有的代碼都是儲(chǔ)存在快閃記憶體中，必須把Flash程序復(fù)制到RAM中運(yùn)行，加快步伐。

（三）DSP串口通信子程序的設(shè)計(jì)

首先是接收移位寄存器工作，進(jìn)入SCI數(shù)據(jù)寄存器，處理后進(jìn)入MCU內(nèi)部總線再返回發(fā)送移位寄存器，完成整個(gè)串口通信的任務(wù)。

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編輯 王 敏