基于ＤＳＰ的多通道高速可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：文中以TI公司的TMS320LF2407A為核心處理器，CPLD為系統(tǒng)控制譯碼芯片提出了一種可擴(kuò)展多通道高速A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)48路或更多路通道的可擴(kuò)展的高速數(shù)據(jù)采集，并介紹了基于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理的一些軟件和硬件的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：TMS320LF2407A;CPLD；多通道；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)22-814-03

Multi-Channel High-Speed Data Collection System Based on DSP

ZHENG Hui，CHEN Jun-feng，YAO Jian-bin

(Department of Information Engineering， North China University of Water Conservancy And Electric Power， Zhengzhou， 450011)

Abstract:This paper proposed a multi-channel high-speed A/D data collection system based on TMS320LF2407A as core processor and CPLD as controlling and encoding chip. This system can realize 48 or more channels data collection. We also introduced the software and hardware design of this system.

Key words:TMS320LF2407A; CPLD; multi-channel; data collection

1 引言

本文提出了一種基于TI公司的 TMS320LF2407A 為處理器的48路或更多路的可擴(kuò)展的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

在工業(yè)控制及各種信號處理系統(tǒng)中需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，如故障檢測系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)等等，而一些應(yīng)用如電力系統(tǒng)的微機(jī)檢測或其它數(shù)據(jù)巡檢系統(tǒng)或一些低分辨率的識別系統(tǒng)等都需要多通道的數(shù)據(jù)采集處理。本文正是基于這種需求提出了一種可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)方法。

2 TMS320LF2407A 的特點(diǎn)[1-2]

1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了功耗；

2)片內(nèi)具有32K字×16位的 FLSAH， 544字雙端口 RAM(DARAM)， 2K字的單口 RAM(SRAM)；

3)兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB；

4)可擴(kuò)展外部存儲器，共有192K字×16位的空間，分別為64K字的程序存儲器空間、64K字的數(shù)據(jù)存儲空間和64K字的I/O空間；

5)看門狗（WD）定時(shí)器模塊；

6)串行通信接口（SCI）模塊。

3 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)提供了48路或更多路的模擬輸入通道，系統(tǒng)的工作原理框圖如下：

如圖1所示，系統(tǒng)中的模擬量通過低通濾波之后由多個(gè)八選一的選擇器控制來進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。A/D 轉(zhuǎn)換芯片為8位輸出，其輸出結(jié)果存儲在 SRAM 存儲器上。對選擇器的開關(guān)選擇、A/D 轉(zhuǎn)換器的控制讀取、數(shù)據(jù)的存儲由CPLD控制來完成。采集完數(shù)據(jù)后會產(chǎn)生一個(gè)中斷給DSP，由DSP來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。至于采集多少數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次中斷由具體的應(yīng)用來決定，本系統(tǒng)為了對數(shù)據(jù)及時(shí)的處理，每采集完所有通道數(shù)據(jù)一次就產(chǎn)生一次中斷。因?yàn)?DSP 是16位的數(shù)據(jù)輸出，我們對 DSP 進(jìn)行了外部存儲器擴(kuò)展，用兩片 IS63LV1024組成128K×16位的存儲空間。因?yàn)?A/D 轉(zhuǎn)換芯片是8位的輸出，其輸出只與一個(gè) IS63LV1024 的數(shù)據(jù)輸出總線相連。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)所用器件

① CD4051 是8通道模擬多路選擇器。有三個(gè)輸入引腳A、B、C，通過A、B、C的值來確定哪一路為輸出。其8路輸入的輸入電壓范圍為0V-VDD 。 VDD 為工作電源電壓，范圍為+5V-+15V。

② TLC5510AI 為CMOS，8位，20MSPS 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TLC5510AI 為單電源5V供電，典型功耗為130mW。里面有一個(gè)采樣保持電路，具有內(nèi)部參考電阻。兩個(gè)參考電壓輸入引腳REFB，REFT。REFB 為參考電壓低端輸入，REFT 為參考電壓高端輸入。其推薦工作環(huán)境為：工作電壓VDD，VDD為4.75V-5.25V。模擬輸入電壓 VI(ANLG)范圍為：VREFB-VREFT ，其最大滿量程電壓為4V。

③ IS63LV1024。IS63LV1024 是128K×8bit高速 CMOS 靜態(tài) RAM。它的存取周期為12ns，15ns，20ns，25ns。一般工作功耗為500mW 。完全靜態(tài)操作，沒有時(shí)鐘或刷新要求。TTL 電平輸入與輸出。

④ CPLD。采ALTERA公司的MAX7000系列EPM7128S。

4.2 硬件電路設(shè)計(jì)描述

系統(tǒng)共有多個(gè)CD4051通道選擇器，采用+5V、-5V供電，多個(gè) TLC5510AI 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用+5V供電，兩片 IS63LV1024，采用+3.3V供電。TMS320LF2407A 的典型工作電壓是3.3V，其I／O口的電平也是3.3V。在進(jìn)行外圍接口設(shè)計(jì)時(shí)，如果外圍器件的工作電壓是3.3V，接口電路就比較簡單，可以直接相連。但是，由于現(xiàn)在有許多常用外圍芯片的工作電壓都是5V，如TLC5510AI等，因此TMS320LF2407A和5V的外圍芯片之間就存在著可靠接口的問題。由于 EMP7128S 具有混合電壓特性， VCCINT 接5V，輸入口的邏輯電平范圍為TTL，因此它能夠兼容 3.3V/5V 輸入。輸出口的邏輯電平范圍為0V～VCCIO，VCCIO 可以接3.3V或者5V。本DSP系統(tǒng)就采用EMP7128S作為邏輯電平轉(zhuǎn)換接口，使輸入配置為 5V，輸出配置為3.3V，對于一些輸出驅(qū)動 5V COMS 器件的IO口，配置輸出口為OC門，外接上拉電阻，拉到5V電壓，只是編程中要注意輸出口的邏輯反向。[3]

CPLD與SRAM連接示意圖如圖2所示：

■

圖2 CPLD與SRAM連接示意圖

CD4051 的通道選擇開關(guān)A、B、C與 CPLD 相連，由 CPLD 控制輸入。每一個(gè) CD4051 的輸出與一個(gè) TLC5510AI 的模擬輸入相連。TLC5510AI的輸出為8位數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)輸出通過CPLD轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換之后與DSP數(shù)據(jù)總線的低八位D0-D7 相連。

CPLD要產(chǎn)生訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的地址信號，產(chǎn)生對外部數(shù)據(jù)存儲器的寫操作時(shí)序。兩片 IS63LV1024 共同組成128K×16bit的DSP外擴(kuò)存儲空間。由于 TMS320LF2407A 對外只能尋址32K字的空間，所以我們要想充分利用這128K的空間就必須通過外部電路進(jìn)行分頁存儲管理。其中兩片 IS63LV1024 的高位地址引腳A16、A15與CPLD的兩個(gè)I/O口8、7引腳相連。通過對8、7引腳的4種編碼輸出，可以將外部存儲空間分為4個(gè)32K字的存儲空間。IS63LV1024 的 CE 引腳由 CPLD 的6引腳（RAMCS）來控制，其中U1的八位數(shù)據(jù)端口接在DSP的低八位數(shù)據(jù)線上，U2 的八位數(shù)據(jù)端口接在 DSP 的高八位數(shù)據(jù)線上。本系統(tǒng)多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的8位輸出通過 CPLD 轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換之后也都連在 DSP 的低八位數(shù)據(jù)總線上，因此在 CPLD 讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果時(shí)要注意總線的控制，當(dāng)讀取其中一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果時(shí)，其余五個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器的OE引腳要為高電平使其輸出為高阻狀態(tài)并且此時(shí)外部數(shù)據(jù)存儲器訪問無效。

4.3 CPLD 的地址譯碼輸出設(shè)計(jì)

對CPLD的設(shè)計(jì)使用 VHDL 語言在MAXPLUXII 環(huán)境下編寫仿真。[4]系統(tǒng)每采集一次通道數(shù)據(jù)就向 DSP 發(fā)送中斷，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。所以我們使用256個(gè)字節(jié)的地址空間作為 CPLD 采集數(shù)據(jù)的存放空間，其地址空間為：0x8000-0x80ff。 0x8100-0xffff的地址空間用來當(dāng)作一般的存儲空間。CPLD對SRAM存儲只控制A0-A14地址線。[3]

4.4 CPLD 數(shù)據(jù)采集流程

在 CPLD 控制數(shù)據(jù)采集的時(shí)候 DSP 不能對外部存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，這點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)要注意。CPLD 內(nèi)部要建立一個(gè)8位寄存器，DSP 通過對這8位寄存器的不同的寫操作來執(zhí)行不同的操作。DSP 對 CPLD 的尋址也是通過對外部存儲器尋址來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)中命名CPLD 的內(nèi)部命令接受寄存器為 CPLDREG，其地址設(shè)定為0x8100。因此 DSP 可通過對外部地址0x8100的寫操作來觸發(fā)CPLD執(zhí)行命令。我們規(guī)定向0x8100地址寫入0x00aa為開始數(shù)據(jù)采集命令，其CPLD工作流程如圖3所示：

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

DSP上層軟件的設(shè)計(jì)首先要注意的是對存儲空間的分配。TMS320LF2407A 對外部尋址空間為0x8000-0xffff共32K字的空間，內(nèi)部有2K字的 SRAM 空間。[1-2]在本系統(tǒng)中0x8000-0x80ff空間為 CPLD 存儲數(shù)據(jù)所用，0x8100地址為 CPLD 寄存器地址所用。所以上層軟件的存儲空間分配文件可參考如下：

MEMORY

{

PAGE 0:

VEC: origin=0x0， length=0x40

EX_PM: origin=0x1000， length=0x7000

PAGE 1:

REG: origin=0x0， length=0x60

DARAM_B0: origin=0x0200， length=0x100

DARAM_B1: origin=0x0300， length=0x100

DARAM_B2: origin=0x0060， length=0x20

SARAM:origin=0x0800， length=0x800

CPLD:origin=0x8000， length=0x100

EX_DM: origin=0x8101， length=0x7eff

}

SECTIONS

{

vectors : { } > VEC PAGE 0

.text : { } > EX_PM PAGE 0

.bss: { } > EX_DM PAGE 1

.cinit: { } > EX_PM PAGE 0

.switch : { } > EX_PM PAGE 0

.const: { } > EX_DM PAGE 1

.stack: { } > EX_DM PAGE 1

.sysmen : { } > EX_DM PAGE 1

}

空間0x8000-0x8100不要分配給其他任何段。對0x8000-0x8100段內(nèi)的數(shù)據(jù)可利用指針來獲取。CPLD采集完數(shù)據(jù)后對DSP的XINT1引腳產(chǎn)生一個(gè)有效的脈沖，令DSP觸發(fā)中斷。[1-2]其中斷向量表代碼如下：

.sect“.vectors”

reset:b_c_int0

int2: b_nothing

int3: b_nothing

int4: b_nothing

int5: b_nothing

int6: b_nothing

xint1:b_dataprocess

在程序中要定義一個(gè)指向0x8000地址的指針：

unsigned int *ptr=(unsigned int *)0x8000;

中斷服務(wù)程序可參考如下：

void dataprocess(unsigned int *ptr)

{

int i=0;

for(i=0;i

{

… … /*對*ptr進(jìn)行處理*/

ptr++;

}

}

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，通道數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況來決定，而且系統(tǒng)具備外部存儲擴(kuò)展功能可適合大容量數(shù)據(jù)的采集，具有通道數(shù)和存儲空間的雙項(xiàng)可擴(kuò)展性，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中具有很好的參考使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] Texas Instruments Incorporated.TMS320LF/LC240xA DSP Controllers Reference Guide:System and Peripherals[P].2002.

[2] 江思敏. TMS320LF240x DSP硬件開發(fā)教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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[4] 東方人華，王建坤. MAX+PLUS Ⅱ入門與提高[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.