數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的ＤＳＰ控制回路

摘 要：在某些信號(hào)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(shí)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(hào)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(yīng)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(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)能成功地解決工作電壓變化所帶來(lái)的問(wèn)題，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：生物信號(hào)；DSP；MAX5633；D/A；SPI

中圖分類(lèi)號(hào)：TN41，TP33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：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(hào)處理器（DSP）得到了廣泛的應(yīng)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(hào)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(jì)一個(gè)生物信號(hào)傳感器的控制系統(tǒng)。在一些信號(hào)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(hào)前將傳感器調(diào)到最佳工作電壓。這時(shí)系統(tǒng)不僅要求高速的數(shù)字信號(hào)處理能力，而且要求對(duì)前端多路傳感器的適時(shí)控制，于是選擇由TMS320VC5416和MAX5633所組成的生物信號(hào)采集控制系統(tǒng)。以下重點(diǎn)分析SPI口的配置以及DSP通過(guò)SPI對(duì)MAX5633進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a實(shí)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(diǎn)DSP芯片。它的主要特點(diǎn)有：運(yùn)算速度快，可達(dá)160 MIPS。優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu):內(nèi)部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元（ALU）、2個(gè)40位的累加器、2個(gè)40位的加法器、1個(gè)乘法器和1個(gè)40位的桶型移位器、有4條內(nèi)部總線(xiàn)和2個(gè)地址發(fā)生器。多總線(xiàn)結(jié)構(gòu):包括3條獨(dú)立的16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)和1條23位的地址總線(xiàn)。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(shí)鐘發(fā)生器、1個(gè)16位的計(jì)數(shù)器、6個(gè)DMA控制器、3個(gè)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(guó)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(gè)16位DAC、1個(gè)帶內(nèi)部時(shí)鐘的時(shí)序控制器、1個(gè)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(guò)15個(gè)同值電阻組成的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，其余位的轉(zhuǎn)換則由1個(gè)12位R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成。其32路帶緩沖的采樣保持電路通過(guò)內(nèi)部保持電容來(lái)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(jìn)制代碼；VREF是MAX 5633的輸入?yún)⒖茧妷海籚GS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(diǎn)，適用于處理大量模擬數(shù)據(jù)輸出的場(chǎng)合。

3 系統(tǒng)工作模式

MAX 5633的轉(zhuǎn)換過(guò)程是先從串行數(shù)據(jù)端DIN送進(jìn)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(jìn)5位地址A4~A0(用這5位地址編碼來(lái)選擇輸出的通道號(hào))。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(shí)鐘序列，為0則選擇內(nèi)部時(shí)鐘序列。Cl，C0之后應(yīng)補(bǔ)1位0。當(dāng)片選CS變低后，系統(tǒng)將在每一個(gè)時(shí)鐘的上升沿送進(jìn)一位數(shù)據(jù)。送完最后一位數(shù)據(jù)(即第24個(gè)數(shù)據(jù)后)后片選CS變高。而當(dāng)CS為高電平時(shí)，任何輸入數(shù)據(jù)都無(wú)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(rèn)工作模式。通過(guò)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(gè)SRAM的內(nèi)容，同時(shí)更新相應(yīng)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(huì)在順序操作恢復(fù)前更新。用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)置IMMED或使C1為高電平選擇立即更新模式。當(dāng)片選CS為低電平時(shí)，原訪(fǎng)問(wèn)順序被打斷。輸入字被存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)于被選擇通道的SRAM中。此時(shí)DAC轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的采樣保持對(duì)輸入串口完全透明。相應(yīng)的輸出通道將得到立即更新。更新后，時(shí)序?qū)⒒氐皆瓉?lái)中斷的SRAM地址重新開(kāi)始順序更新。立即更新操作需要占用2個(gè)時(shí)序周期，其中一個(gè)周期用來(lái)使時(shí)序控制器繼續(xù)完成正在進(jìn)行的操作，另一個(gè)用來(lái)進(jìn)行新數(shù)據(jù)的更新。

MAX 5633的輸入口為SPI接口，要實(shí)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(gè)數(shù)據(jù)通道和1個(gè)控制通道。表1給出了有關(guān)引腳的信號(hào)定義。DX引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送，DR引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，另外4個(gè)引腳提供控制信號(hào)（時(shí)鐘和幀同步）。C5416通過(guò)片內(nèi)的外設(shè)總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)串口的控制寄存器實(shí)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(xiě)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(xiě)入DXR的數(shù)據(jù)通過(guò)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(jìn)入接收轉(zhuǎn)換寄存器（RSR）中，然后被復(fù)制到接收緩沖寄存器（RBR），RBR再將數(shù)據(jù)復(fù)制到DRR中，最后等待CPU和DMA控制器讀取數(shù)據(jù)。這種多級(jí)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(shí)進(jìn)行。

表1 McBSPx接口引腳說(shuō)明

引腳I/O/Z說(shuō)明

CLKRI/O/Z接收時(shí)鐘

CLKXI/O/Z發(fā)送時(shí)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(kāi)始有效。DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為外部時(shí)鐘輸入。CLKSEL為時(shí)鐘選擇端，當(dāng)C0或者該腳為高電平時(shí)，系統(tǒng)選擇外部時(shí)鐘模式，此時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘模式將被關(guān)閉。所給出的硬件連接圖為外部時(shí)鐘模式。ECLK為外部時(shí)鐘模式控制引腳，可用于控制外部時(shí)鐘。RST為輸入復(fù)位端。DSP的BCLK0口與D/A的SCLK相連作為MAX 5633的外部時(shí)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(duì)其精度的影響，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行濾波^［3］。

圖1 硬件連接圖

5 軟件程序設(shè)計(jì)

下面是針對(duì)硬件連接電路給出相應(yīng)的C語(yǔ)言程序^［4］。該程序?qū)CBSP0配置成時(shí)鐘停止模式(SPI)的主模式。其中SPI的時(shí)鐘設(shè)置成1 MHz，幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(gè)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(guò)改變tempchan選擇需要傳輸?shù)耐ǖ馈Ｏ旅媸莻鬏?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(guò)程中，等待MCBSP0口的發(fā)送中斷，再將剩下的2個(gè)字節(jié)發(fā)送出去。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文所介紹的方案已經(jīng)取得了預(yù)期的效果，D/A的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb/s，并且還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行提高。該方案已經(jīng)成功地運(yùn)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(duì)D/A的控制傳輸無(wú)論從精度上還是速度上均完全能夠滿(mǎn)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(diǎn)將對(duì)以后的傳感器工作電壓隨環(huán)境變化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，并對(duì)其他形式的信號(hào)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 葛曉飛 北京機(jī)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(qǐng)以PDF格式閱讀原文