【正文】 統(tǒng) 輸入信號首先進(jìn)行帶限濾波抽樣，然后進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換把模擬信號變換成數(shù)字信號。根據(jù)耐奎斯抽樣定理，為保持信息不丟失，抽樣頻率必須至少輸入帶限信號最高頻率的 2 倍。圖 11 給出的 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)模型是一個典型的模型，并不是所有的 DSP 系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件。例如語音識別系統(tǒng)在輸出端并不是模擬信號而是識別結(jié)果，如數(shù)字、文字等。有的系統(tǒng) 的輸入信號本身就是一個數(shù)字信號，顯然不必再進(jìn)行模數(shù)變換了。 圖 12 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計流程 一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)是電子技術(shù)、信號處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)抗混疊濾 波 輸入 A/D DSP 芯片 D/A 平滑 輸出 輸出 物，系統(tǒng)設(shè)計通常分為信號處理部分和非信號處理部分。信號處理部分包括系統(tǒng)的輸入和輸出、數(shù)據(jù)的處理、各種算法的實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)顯示和傳輸?shù)?，非信號處理部分則包括電源、結(jié)構(gòu)、可靠性和可維護(hù)性等。 如圖 12 是 DSP 系統(tǒng)設(shè)計的一般方法。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。當(dāng)然， DSP 系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件開發(fā)是一個需要 反復(fù)進(jìn)行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實(shí)時系統(tǒng)的性能，但實(shí)際上模擬環(huán)境不可能做到與實(shí)時系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實(shí)時系統(tǒng)時必須考慮算法是否能夠?qū)崟r運(yùn)行的問題。如果算法運(yùn)算太大不能在硬件上實(shí)時運(yùn)行，則必須重新修改過簡化算法。 論文研究的內(nèi)容 本論文研究如何以 DSP（數(shù)字信號處理器）和 USB（通用串行接口）為核心構(gòu)建硬件系統(tǒng)平臺，完成采集處理系統(tǒng)的核心設(shè)計。這些核心包括 DSP、 USB、存儲器等，研究的主要內(nèi)容在硬件上主要為核心組件的接口設(shè)計，軟件上包括數(shù)字信號處理算法、采集控制及驅(qū)動 設(shè)計等。本文的研究主要包括以下幾個方面： 1．對 DSP 技術(shù)進(jìn)行廣泛的學(xué)習(xí)和研究，了解各系列的 DSP 的結(jié)構(gòu)及用途，根據(jù)論文需要選擇高性價比的主處理器，本論文選擇 TI 公司的 TMS320F2812作為主處理器，熟悉該款數(shù)字處理器的結(jié)構(gòu)、外設(shè)及各個模塊的功能和各個寄存器的作用及構(gòu)造。 2．了解通用串行借口（ USB）的工作原理及通信協(xié)議，選擇合適的 USB 接口芯片，本文選用了 CYPRESS 公司的 CY68013A，了解該芯片的功能構(gòu)造及外設(shè)引腳，熟悉 USB 固件程序進(jìn)行調(diào)試。 3．根據(jù)論文需求和 DSP 芯片的硬件特點(diǎn)提出基于 DSP 的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。 4．在 TI 公司的 Code Composer Studio for C20xx（ ccs）下對 TMS320F2812進(jìn)行軟件仿真，熟悉 CCS 的開發(fā)環(huán)境，在內(nèi)部 進(jìn)行一些算法調(diào)試工作。 論文的章節(jié)安排 本論文共分為四章，各章的內(nèi)容安排如下： 第一章概述了論文“基于 DSP 的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)”的提出和意義，并對所要研究的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。 第二章從全局出發(fā)探討了基于 DSP 的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，闡述了系統(tǒng)的工作原理，并根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)要求對 核心處理器及外圍器件的選型進(jìn)行了分析。 第三章介紹了采集處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，包括 DSP 電源電路、 AD 轉(zhuǎn)換模塊、時鐘電路、復(fù)位電路、 JTAG 接口、 DSP 外部擴(kuò)展存儲器的接口電路以及DSP 和 USB 的接口電路等。 第四章介紹了系統(tǒng)的軟件流程圖，并分成 DSP 設(shè)計和 USB 設(shè)計倆大部分對系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了分析，并對 DSP 初始化以及 DSP 和 USB 的接口軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的論述。 2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案 采集處理系統(tǒng)分析 本數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采用內(nèi)部有模數(shù)轉(zhuǎn)換起的 DSP 作為主處理器，這是一種結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、經(jīng) 濟(jì)實(shí)用的多通道高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，不僅具有數(shù)據(jù)采集與傳輸功能，同時具有運(yùn)動控制功能。它由機(jī)械運(yùn)動、傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等幾個部分組成。它通過傳感器部分將光學(xué)標(biāo)記信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過數(shù)據(jù)采集部分將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并由數(shù)字信號處理部分進(jìn)行相應(yīng)的處理，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果來控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，并且將采集處理后的結(jié)果傳誦到計算機(jī)系統(tǒng)。 根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合目前市場使用情況，本系統(tǒng)選用 TI 公司新近推出的專門用于控制領(lǐng)域的 TMS320F2812。這是一款 32 位 DSP 芯片，它的體系結(jié)構(gòu)是專為實(shí)時控制及 實(shí)時信號處理而設(shè)計，其所配置的片內(nèi)外設(shè)為本系統(tǒng)提供了一個理想的解決方案。其中它的通用 12 位 16 通路 A/D 電路、定時器、脈寬調(diào)制 PWM電路、捕捉器、光電編碼器、串行通信接口、看門夠等片內(nèi)外設(shè)為 DSP 應(yīng)用于智能測控、電機(jī)控制、電力電子技術(shù)等領(lǐng)域提供了豐富的資源。 圖 21 系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖 本系統(tǒng)是一個高速信號采集處理系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。系統(tǒng)的工作流程為：本數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過 USB 接口接受 PC 機(jī)命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳感器 TMS320F2812 步進(jìn)電機(jī) 電源 SRAM USB 上位機(jī) 信號調(diào)理 與數(shù)據(jù)傳輸；啟動步電機(jī)控制傳感 器采集數(shù)據(jù)然后變?yōu)殡娦盘?；再?jīng)過信號調(diào)理達(dá)到 DSP 的輸入電壓標(biāo)準(zhǔn)后，使用 F2812 芯片內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ ADC）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及 A/D 轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)預(yù)先存儲到片外的 RAM 中，再經(jīng) DSP進(jìn)行前端的數(shù)字信號處理后，通過 USB 總線傳給上位機(jī)，并在上位機(jī)上進(jìn)行存儲、顯示和分析。 根據(jù)系統(tǒng)各部分的功能的不同，可將系統(tǒng)分為輸入信號調(diào)理模塊、數(shù)字信號處理模塊和 USB 模塊。期中輸入信號調(diào)理模塊主要是對被采集的模擬信號進(jìn)行調(diào)理（如電平變換和濾波），以滿足數(shù)字電路對信號的要求；數(shù)字信號處理模塊是對輸入的電信號進(jìn)行采集和處 理，主要由 DSP 和一些必要的外設(shè)組成， DSP負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及一些實(shí)時處理，同時要完成系統(tǒng)的邏輯和時序控制； USB 模塊則將 DSP 處理完的結(jié)果傳送到上位機(jī)上去進(jìn)行顯示、計算和分析。該系統(tǒng)完全可以滿足信號采集處理對高精度及實(shí)時性的要求，由于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較大，因此需要一種高速的數(shù)據(jù)傳輸方式，而 總線傳輸速度快，能達(dá)到 480Mbit/s的速度，滿足了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。該系統(tǒng)要求采樣的精度到 8 位數(shù)字量，用 F2812 自帶的 ADC 模塊就可達(dá)到很好的效果，省去了專用的 ADC 芯片，使系統(tǒng)的時序控制變得簡單，從而降低 了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也節(jié)約了成本。 系統(tǒng)的器件選型 本系統(tǒng)設(shè)計的目的在于開發(fā)體積小、成本低的采集處理系統(tǒng)。所以在滿足系統(tǒng)要求的前提下，在器件選擇方面盡可能減少系統(tǒng)資源的冗余，提高系統(tǒng)的集成度。 微處理器的選型 目前的微處理器分為通用處理器、單片機(jī)和 DSP 三大類。 DSP 與單片機(jī)、傳統(tǒng)的通用微處理器相比具有很大的優(yōu)越性。與目前普遍采用的單片機(jī)相比，DSP 具有較高的集成度并具有更快的運(yùn)行速度， DSP 器件比 16 位單片機(jī)單指令執(zhí)行時間快 8~10 倍，在乘法處理上， DSP 的優(yōu)勢更為明顯，完成一次乘累加運(yùn)算快 16~30 倍。這一性能決定了 DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在較復(fù)雜的算法處理中，如：數(shù)字圖象處理、數(shù)字語音編碼等領(lǐng)域，而單片機(jī)則主要用于工業(yè)控制等對處理速度和處理性能要求較抵的環(huán)境 [7]。 DSP 芯片也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 DSP 芯片是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理技術(shù)的硬件支持，是數(shù)字信號處理技術(shù)與數(shù)字信號處理應(yīng)用之間的橋梁和紐帶，隨著全球集成電路事業(yè)的發(fā)展，美國的 TI 公司成為世界上最大的 DSP 芯片供應(yīng)商，其 DSP 市場份額占全世界份額 近 50%，其 DSP 產(chǎn)品根據(jù)功能氛圍三個系列 TMS320C20xx 系列， TMS320C5000 系列， TMS320C6000 系列，本系統(tǒng)選用的就是 TI 的 20xx 系列的 TMS320F2812 芯片。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展 DSP 必將得到更加廣泛的應(yīng)用。通用 DSP 芯片一般具有如下主要特點(diǎn) [810]： 1．多總線結(jié)構(gòu)。世界上最早的微處理器是基于馮諾伊曼結(jié)構(gòu)的，其取指令、取數(shù)據(jù)都是通過同一條總線完成的，因此必須分時進(jìn)行，在高速運(yùn)算時，往往傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。而 DSP 內(nèi)部采用的哈佛（ Harvard）結(jié)構(gòu)，它在片內(nèi)至 少有四套總線；程序地址總線、程序數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)的地址總線和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線。這中分離的程序和數(shù)據(jù)總線，可允許同時獲得來自成局存儲器的指令字和來自數(shù)據(jù)存儲器的操作數(shù)而互不干擾，這樣使得其可以同時對數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址。 2．指令系統(tǒng)的流水線操作。在改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，大多數(shù) DSP 芯片又引入了流水線操作以減少每條指令的執(zhí)行時間，從而進(jìn)一步增強(qiáng)處理器的楚劇處理能力。在執(zhí)行本條指令的同時，下面的指令已依次完成取操作數(shù)、解碼、去指令操作，從而在不提高時鐘頻率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時間。 3．專用硬件乘法器。硬件 乘法器功能是 DSP 實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算的重要保障。在一般計算機(jī)上，算術(shù)邏輯單遠(yuǎn)（ ALU）只能完成倆個操作數(shù)的加、減法及邏輯運(yùn)算，而乘法（或除法）則由加法和移位來實(shí)現(xiàn)。而 DSP 器件配有獨(dú)立的乘法器和加法器，單個周期可以完成相乘、累加倆個運(yùn)算，大大提高了運(yùn)算效率。 4．快速的指令周期。 CMOS 技術(shù)、先進(jìn)的工藝及集成電路的優(yōu)化設(shè)計、工作電壓的下降（ 5V， ， ），使得 DSP 芯片的主頻不斷提高。目前 C64 DSP 高速時鐘已達(dá) 。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展以近 RISC 設(shè)計思想在 DSP芯片設(shè)計和生產(chǎn)中的全面體現(xiàn) ，工作頻率將繼續(xù)提高，指令周期進(jìn)一步縮短。 DSP 的選型主要考慮處理速度、功耗、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量、片內(nèi)的資源，如定時器的數(shù)量、 I/O 口的數(shù)量、中斷數(shù)量、 DMA 通道數(shù)等。 DSP的主要供應(yīng)商有 TI， ADI， Motorola， Lucent 和 Zilog 等，其中 TI 占有最大的市場份額。而 TMS320F281x 系列數(shù)字信號處理器是 TI 公司最新推出的數(shù)字信號處理器，該處理器是基于 TM320C2xx 內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器 [11]。器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，代碼和指令與 F24x 系列數(shù)字信號的處理器完全兼容。 F28x系列數(shù)字信號處理器提高了運(yùn)算精度（ 32 位）和系統(tǒng)的處理能力（達(dá)到 150MIPS）下面列出 TMS320F2812 的主要特征： 1．采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，主頻達(dá)到 150MHZ（時鐘周期 ）， 核心低電壓設(shè)計。 2．高性能 32 位 CPU，哈佛總線結(jié)構(gòu)， 4MB 的程序 /數(shù)據(jù)尋址空間。 3．存儲空間： 18k 16 位 0 等待周期片上 SRAM 和 128K 16 位片上 FLASH（存儲時間 36ns）； 3 個獨(dú)立的片選信號，最多 1MB 的尋址空間。 4．豐富的片內(nèi)外設(shè)： 倆個事件管理器 EVA 和 EVB，每個事件管 理器模塊包括定時器、比較器、捕捉單元、 PWM 邏輯電路、正交編碼脈沖電路以及中斷邏輯電路等； 一個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 ADC（ AnalogtoDignal Converter）； 3 個 32 位的 CPU 定時器； 2 個異步串行通信接口 SCI（ Serial Communications Interface）； 一個高速同步串行口 SPI（ Serial Peripheral Interface）； 最高通信速率可達(dá)到 1Mbps 的增強(qiáng)型 CAN 接口（ Enhanced Controller Area Network）； 多通道緩沖串 行接口 McBSP（ Multichannel Buffered Serial Port）； 56 個通用目的數(shù)字量 I/O 即 GPIO 模塊； 一個 標(biāo)準(zhǔn) JTAG 接口 (仿真接口 )； 5．三個外部中斷，可擴(kuò)展的外設(shè)中斷模塊支持 45 個外設(shè)中斷源。 6．功耗低； 128 位的安全密碼。 7．工作環(huán)境溫度： 40~85 攝式度。 圖 22 TMS321F2812 的功能框圖 本系統(tǒng)選用 TMS329F2812 作為主處理器主要基于以下幾點(diǎn)考慮，首先它的主頻高，可以滿足系統(tǒng)的需要；其次它本身具有 ADC 模塊和片內(nèi)的大容 量FLASH 方便系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、降低成本；有著較多的 I/O 可以靈活的配置，多達(dá) 56 個可配置通用目的 I/O 引腳，可以很方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對 USB 接口時序控制。另外F2812 芯片采用典型的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)有六條獨(dú)立、并行的數(shù)據(jù)和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力；同時精的指令系統(tǒng)、八級流水線的操作方式和 的指令周期使得系統(tǒng)的運(yùn)行速度特別快；系統(tǒng)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，功耗非常低。所以本系統(tǒng)選用 TMS320F2812 作為主處理器，如圖 22 是這款芯片的功能框圖。 本系統(tǒng)用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是這款 DSP 的片上自 帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 (ADC)。它帶有倆個 8 選 1 多路切換器和雙采樣 /保持器的 12 位的、具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開關(guān) (MUXs)、采樣 /保持 (S/H)電路、變換內(nèi)核、電壓參考以及其他模擬輔助電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的數(shù)字電路包括可變成轉(zhuǎn)換序列器、結(jié)果寄存器、與模擬電路的接口、與芯片的外設(shè)總線的接口以及其他片上模塊的接口。該模塊有 16 個通道，單通道轉(zhuǎn)換的見是 80