重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院(400044)劉和平周小軍

本文利用TI十六位定點(diǎn)DSPTMS320F206和五片四通道同步十二位AD轉(zhuǎn)換器AD7874構(gòu)成了實(shí)時(shí)高速二十通道的同步DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)將分析結(jié)果實(shí)時(shí)以文本或圖形兩種方式在LCD上顯示出來(lái)，收到了較好的效果。
1.概述
TMS320C2XX是TI公司繼TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一種低價(jià)格、高性能的十六位定點(diǎn)運(yùn)算DSP。TMS320C2XX的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于TMS320C5X，它具有以下特點(diǎn)：
（1）增強(qiáng)的TMS320結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)總線和程序總線分開，具有多級(jí)流水線。（2）高性能、低功耗的靜態(tài)CMOS工藝；運(yùn)行速度快，執(zhí)行速度可達(dá)40MIPS。（3）高度專業(yè)化的指令集，便于優(yōu)化算法；存貯器資源豐富，可尋址224k存貯空間。（4）豐富的片上外設(shè)，包括鎖相環(huán)、定時(shí)器、同步和異步串行口、通用I/O口等。（5）具有遵循IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的片內(nèi)JTAG仿真接口，可在線對(duì)程序進(jìn)行仿真調(diào)試和下載。
本文以TMS320F206為核心，設(shè)計(jì)并制作了高速多通道的同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TMS320F206除具有TMS320C2XX的共同特征外，它的最大特點(diǎn)在于片內(nèi)帶有32k的Flash存貯器，可多次擦寫，為開發(fā)程序帶來(lái)很大方便。同時(shí)，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速同步采集，利用模擬器件公司的四通道十二位同步AD轉(zhuǎn)換器AD7874來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD7874是專門針對(duì)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集而設(shè)計(jì)的，片內(nèi)帶有四個(gè)采樣/保持器和一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，全部四通道的采樣頻率為29kHz，自帶片內(nèi)參考源。為了將采樣數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，利用EDM240128圖形點(diǎn)陣液晶顯示器模塊完成顯示。該模塊采用東芝T6963C作為顯示控制芯片，能與微處理器直接接口，具有片內(nèi)CGRAM發(fā)生器，可管理64kRAM，可以圖形、字符及圖形和字符合成方式進(jìn)行顯示，還可以實(shí)現(xiàn)字符方式下的特征顯示。另外，本系統(tǒng)還帶有RS－485通用串行接口，可以很方便的與其它單片機(jī)或PC機(jī)通訊。本系統(tǒng)充分利用以上芯片的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)對(duì)二十路信號(hào)同步采集，結(jié)合DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行FFT變換和處理，完成各次諧波分析，并在液晶屏上用字符或圖形兩種方式分別將各路采樣值和變化曲線、頻譜圖等顯示出來(lái)。

２.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及工作原理
高速多通道同步DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖一所示。
圖中，五片四通道同步數(shù)據(jù)采集器AD7874的地址和數(shù)據(jù)總線均與TMS320F206的地址和數(shù)據(jù)總對(duì)應(yīng)相連，考慮到F206的驅(qū)動(dòng)能力和系統(tǒng)工作的可靠性及穩(wěn)定性，在F206的地址和數(shù)據(jù)總線輸出端加有雙向總線驅(qū)動(dòng)器74LS245，由74LS245來(lái)完成外圍擴(kuò)展芯片的驅(qū)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)AD片間真正的同步采樣，各個(gè)AD的啟動(dòng)由單片機(jī)的同一I/O端口來(lái)控制，這樣只要F206使該端口有效就可以同時(shí)啟動(dòng)AD，從而實(shí)現(xiàn)了二十路輸入的同步采樣。為了避免參考源所引起的誤差，各個(gè)AD使用同一AD自帶的內(nèi)部參考。
TMS320F206內(nèi)部具有一個(gè)十六位的定時(shí)器，本系統(tǒng)中利用它來(lái)控制采樣的時(shí)間間隔，根據(jù)預(yù)估的采樣和處理時(shí)間設(shè)定定時(shí)器的初值，可滿足等間隔采樣的要求。為簡(jiǎn)化地址譯碼電路的設(shè)計(jì)和增加設(shè)計(jì)的靈活性，利用GAL16V8可編程器件進(jìn)行地址譯碼，分別控制AD的啟動(dòng)、各片采樣值的讀取和選通LCD模塊。
由于液晶顯示模塊EDM240128是八位uP接口的，故只須將TMS320F206的低八位總線與之相連即可。盡管相對(duì)快速的DSP而言，EDM240128是一慢速的外設(shè)，但TMS320F240內(nèi)置等待狀態(tài)產(chǎn)生器，在CPU讀寫存貯器或端口時(shí)，通過(guò)增加0～7個(gè)等待狀態(tài)，可以加長(zhǎng)CPU等待外部存貯器或外部I/O口響應(yīng)的時(shí)間，TMS320F206的機(jī)器周期為50nS，這樣可得到的最大等待時(shí)間為350nS，已能完全滿足EDM240128的要求，從而可省去READY信號(hào)產(chǎn)生電路。
RS－485是一種平衡差分驅(qū)動(dòng)、半雙工的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，它具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、較高的數(shù)據(jù)傳送速率和便于構(gòu)成分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)。MAX485是用于RS－485通訊的低功率收發(fā)器，只需＋5V電源即可，本系統(tǒng)利用它引出了一個(gè)RS－485串行口。
3.軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試
因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，涉及的算法較多，故采用了模塊化、由頂向下、逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，實(shí)踐證明這一方法可節(jié)省軟件工作量、提高工作效率，取得了成功，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程見圖二。
系統(tǒng)上電CPU復(fù)位后，首先由TMS320F206完成自身的初始化，包括配置RAM塊，設(shè)置數(shù)據(jù)頁(yè)指針、中斷和I/O模式，設(shè)置中斷屏蔽位和等待狀態(tài)位，設(shè)置定時(shí)器模式、初值、串行口等；然后對(duì)EDM240128初始化，包括清顯示RAM，設(shè)置文本區(qū)、圖形區(qū)和顯示方式，建立漢字點(diǎn)陣CGRAM等；然后開EDM240128文本顯示和中斷，啟動(dòng)AD等待中斷；最后進(jìn)入循環(huán)數(shù)據(jù)采樣、處理、顯示和串行通訊，完成實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示和串行通訊。----本軟件的調(diào)試采用了TI的XDS510TMS320系列JTAG硬件仿真器。由于它與目標(biāo)系統(tǒng)之間采用了JTAG接口（基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)），從而可真正做到完全的硬件仿真，在仿真時(shí)不占用硬件資源，且可隨時(shí)察看CPU內(nèi)部及外