基于DSP的数据采集系统

基于DSP的高速数据采集系统的设计摘要：本文在讨论了TMS320VC5409DSP芯片和ADS7805AD转换芯片的特点的基础上，设计了具有较高精度和速度的数据采集系统。并且给出了DSP芯片和AD转换芯片的接口原理图以及详细的串口初始化程序。此系统不仅可以实现高速的数据采集与处理，而且精度高，稳定性好。关键词：ADS7805；TMS320VC5409；数据采集中图分类号：TP274文献标识码：A1引言数据采集是获取信息的基本手段，而随着科技的发展，对数据采集系统及仪器的许多技术指标都提出了更高的要求。要求不仅能稳定高速的进行高精度的数据采集与处理，而且还要有良好的人机界面以便能够对信号进行实时的分析与观测。DSP作为数字信号处理器以其高速、高精度的性能广泛应用于数据采集、图像处理等控制领域。本文设计的高速数据采集系统的主控制芯片即是采用TI公司提供的数字信号处理器（DSP）TMS320VC5409A-160芯片，A／D转换芯片选用的是AD公司推出的并行芯片ADS7805。这些集成度较高的芯片，很好的实现了高速度、高精度、灵活、稳定、通用等优点。2系统总体方案设计本系统是一个高速信号采集处理系统，其硬件总体结构如图1所示。系统的工作流程为：本数据采集处理系统通过USB接口接收PC机命令，进行数据采集与数据传输。当系统接收指令后，将被测信号经过AD调理为适合DSP系统的电压范围，经过AD转换器转化成为数字信号预先存储到片外的RAM中，再经DSP按照一定的算法进行前端的数字信号处理后，通过总线传给上位机，并在上位机上进行存储、显示和分析等。3各单元模块的设计从图1可以看出，在本设计中主要有A/D转换电路、DSP芯片、总线驱动器、FLASH存储器及SDRAM、逻辑控制单元和电源等组成。下面介绍主要单元模块的设计。3.1DSP基本系统的设计本设计采用的是TMS320VC5409A-160芯片。这是TI公司的一款高性能、低功耗、高性价比的32位定点DSP芯片。该芯片采用CMOS技术，供电电压为3.3V，内核电压1.6V，兼容TMS320C54X系列芯片指令系统，最高可在160MHz主频下工作，具有16kBytes的缓存和17bit×17bit双乘法器，并带有32k×16bit的RAM和16k×16bit的ROM，6.25ns机器周期，6-ChanExt的DMA。其片上外设主要包括时钟发生器、DMA控制器、外部存储器接口(EMIF)、主机接口(HPI)、I2C总线、通用输入输出GPIO口、3个多通道缓冲串行端口(McBSP)、一个64位通用定时器(GPT)和一个可编程看门狗定时器、通用异步收发器(UART)，外部寻址空间达8MB，可扩展大容量SDRAM。为了保证该芯片的正常工作，需TMS320VC5409USBBUFFERSDRAM键盘/显示FLASH逻辑控制单元McBSPMcBSPD15～D0A15～A0A15～A0D15～D0ADCDACBUFFER被测数据输出数据图1系统硬件图要对其引脚进行合理的配置。并且由于TMS320VC5409A-160芯片需要3.3V和1.6V双电源供电，所以可以采用TPS73HD301电源芯片为其供电。具体的配置如图2所示。3.2A/D转换电路的设计在DSP芯片内部集成了模数转换的功能，但如果系统要求模数转换器的分辨率保证12位以上的话，那么TMS320VC5409A-160芯片内置的12位A/D转换模块就无法满足系统分析的要求，所以必须外接A/D转换芯片。这里选用16位并行输出的A/D转换芯片ADS7805。该款芯片采用CMOS工艺制造，单通道输入，功耗低（最大功耗为100mW），只需单端5V电源供电即可正常工作，其转换频率最高可达100KHz，具有较高的性价比。采用逐次逼近式工作原理，转换结果由16位数据线并行输出，启动转换和读取上次转换的结果可以同时进行。并且芯片内部集成了采样保持、电压基准和时钟等电路，在提高系统的稳定性的同时，更极大的简化了用户的电路设计。其与TMS320VC5409A-160芯片连接如图3所示。4软件设计由于在TMS320C5409A芯片内部的ROM里已经在起始地址为0xFF8000H处固化好了一段程序，也即Bootload程序。所以可以把系统需要执行的程序代码在满足规定的格式后，从C5409A芯片外部的Flash芯片自动载入到C5409A芯片内部或者外部的RAM存储器中，被Bootload程序识别出来后自动执行。在进行数据采集系统的软件设计时，应该考虑TMS320VC5409A-160芯片的硬件初始化、ADS7805芯片的初始化以及其内部的存储器配NC1RESETNCNC1GNDNC1ENFB/SENSE1IN1OUT1IN1OUTNC2RESETNCNC2GNDNC2EN2SENSE2IN2OUT2IN2OUTNCNCNCNCC333F3.3V&1621281.8VVD2VD3C233FC11FC01F5VR1100kR2100kPGRESETtoDSPTPS73HD301VD15679101112131234814TMS320VC5409DVDDCVDDINT0GNDINT1INT2INT3NM1CLKMD1CLKMD2CLKMD3BIOHOLDREADAY图2DSP芯片基本配置图D0～D15I/OTMS320VC5409模拟信号74LS273D0～D15R/CBUSYVinVdigCAPVanaAGND1DGNDAGND2CSREFBYTEADS78052002.2F2.2F33.2kD0Q0+5V图3DSP芯片与A/D芯片连接图置、数据及程序初始化等情况。在本系统中，利用缓冲串口McBSP进行数据的收发，利用辅助寄存器AR0用于程序的运算处理及寻访方式的设定。现给定串口初始化程序如下：Main:SSBXINTM；关中断STM#0FFFFh,IFR；清除所有中断标志STM#0,CLKMD；设置时钟工作模式NOPTS:LDMCLKMD,AAND#01b,ABCTS,ANEQSTM#3007h,CLKMDRPT@100NOPSTM#St_memory+500,SP；设置堆栈指针STM#01060H,PMST；设置PMST寄存器STM#3610H,SWWSRCALLIntializing；调用McBSP的初始化子程序RPT#0FFHNOPLD#799,BSTM#0C0H,IMR；允许RINT1、XINT0中断STM#0FFH,DXR12M_LOOP:NOPBM_LOOPIntnull:NOPRETEInitializing:STM#0000H,SPSA0；选择串口控制寄存器STM#0000H,SPCD0STM#0001H,SPSA0STM#0000H,SPCD0STM#0002H,SPSA0；选择接收控制寄存器STM#0000H,SPCD0STM#0003H,SPSA0STM#0000H,SPCD0STM#0004H,SPSA0；选择发送控制寄存器STM#0000H,SPCD0STM#0005H,SPSA0STM#0000H,SPCD0STM#0006H,SPSA0；选择采样率发生器寄存器STM#0100H,SPCD0STM#0007H,SPSA0STM#0007H,SPCD0STM#000EH,SPSA0；选择引脚控制寄存器STM#0900H,SPCD0RPT#0FFHNOPSTM#0FFH,DXR12STM#0000H,SPSA0；选择串口控制寄存器STM#0001H,SPCD0STM#0001H,SPSA0STM#00C1H,SPCD0RETERsceive_int:NopNopLDMDRR12,ASUB#1,BBCExit,BNEQXORM#2000H,*ST1LD@200,BExit:RETETransmit_int:STLMA,DXR12RETE在该程序中，充分的考虑了机器周期，所以加了若干条空循环指令来避免发生流水线冲突。5结论本文所介绍的由ADS7805和TMS320C5409A-160所构成的高精度信号采集系统接口电路简单、编程方便，系统程序代码已经在CCS开发环境上得到验证，运行良好。所涉及的系统很好的兼顾了数据采集处理的高精度和高速性的要求，因此，具有广泛的适用范围和一定的推广价值。参考文献[1]张雄伟,曹铁勇.DSP芯片得原理与开发应用[M].电子工业出版社，1996[2]邹彦主编.DSP原理及应用[M].电子工业出版社，2005[3]穆洪伟,赖康生.基于DSP的高精度多路数据采集系统的设计[J].工业控制计算机，2009.02：15-16[4]薛红娟,江海河,张飞军.基于DSP和ADS8515的数据采集系统[J].数据采集与处理，2009.10：286-289[5]TesasInstrumentsIncorporation.DatasheetofADS8515：16-BIT250KSPSsamplingCMOSanalog-to-digitalconverter[S].Texas,America：TexasInstrumentsIncorporation,2005.作者简介：通信地址：