【正文】 一個需要反復進行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實時系統(tǒng)的性能，但實際上模擬環(huán)境不可能做到與實時系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實時系統(tǒng)時必須考慮算法是否能夠實時運行的問題。如果算法運算太大不能在硬件上實時運行，則必須重新修改過簡化算法。 課題研究的內(nèi)容本課題研究如何以DSP（數(shù)字信號處理器）和USB（通用串行接口）為核心構建硬件系統(tǒng)平臺，完成采集處理系統(tǒng)的核心設計。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計，軟件上包括數(shù)字信號處理算法、采集控制及驅動設計等。本文的研究主要包括以下幾個方面：1．對DSP技術進行廣泛的學習和研究，了解各系列的DSP的結構及用途，根據(jù)課題需要選擇高性價比的主處理器，本課題選擇TI公司的TMS320F2812作為主處理器，熟悉該款數(shù)字處理器的結構、外設及各個模塊的功能和各個寄存器的作用及構造。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造及外設引腳，熟悉USB固件程序進行調(diào)試。3．根據(jù)課題需求和DSP芯片的硬件特點提出基于DSP的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的總體設計方案。4．在TI公司的Code Composer Studio for C2000（ccs）下對TMS320F2812進行軟件仿真，熟悉CCS的開發(fā)環(huán)境，在內(nèi)部 進行一些算法調(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： 第一章概述了課題“基于DSP的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)”的提出和意義，并對所要研究的內(nèi)容進行了總結。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)的總體設計方案，闡述了系統(tǒng)的工作原理，并根據(jù)系統(tǒng)的目標要求對核心處理器及外圍器件的選型進行了分析。第三章介紹了采集處理系統(tǒng)的硬件電路設計，包括DSP電源電路、AD轉換模塊、時鐘電路、復位電路、JTAG接口、DSP外部擴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設計和USB設計倆大部分對系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)方案進行了分析，并對DSP初始化以及DSP和USB的接口軟件設計進行了詳細的論述。第2章 系統(tǒng)的實現(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)轉換起的DSP作為主處理器，這是一種結構簡單、功能強大、經(jīng)濟實用的多通道高速數(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，同時具有運動控制功能。它由機械運動、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標記信號轉化為電信號，再通過數(shù)據(jù)采集部分將電信號轉化為數(shù)字信號，并由數(shù)字信號處理部分進行相應的處理，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)結果來控制設備進行相應的運動，并且將采集處理后的結果傳誦到計算機系統(tǒng)。根據(jù)設計要求，結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域的TMS320F2812。這是一款32位DSP芯片，它的體系結構是專為實時控制及實時信號處理而設計，其所配置的片內(nèi)外設為本系統(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)外設為DSP應用于智能測控、電機控制、電力電子技術等領域提供了豐富的資源。傳感器TMS320F2812步進電機電源SRAMUSB上位機信號調(diào)理圖21系統(tǒng)的總體設計框圖本系統(tǒng)是一個高速信號采集處理系統(tǒng)，其基本結構如圖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機命令，進行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸；啟動步電機控制傳感器采集數(shù)據(jù)然后變?yōu)殡娦盘枺辉俳?jīng)過信號調(diào)理達到DSP的輸入電壓標準后，使用F2812芯片內(nèi)部的模數(shù)轉換模塊（ADC）進行數(shù)據(jù)的采集及A/D轉換；轉換后的數(shù)據(jù)預先存儲到片外的RAM中，再經(jīng)DSP進行前端的數(shù)字信號處理后，通過USB總線傳給上位機，并在上位機上進行存儲、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行采集和處理，主要由DSP和一些必要的外設組成，DSP負責數(shù)據(jù)采集及一些實時處理，同時要完成系統(tǒng)的邏輯和時序控制；USB模塊則將DSP處理完的結果傳送到上位機上去進行顯示、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，能達到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)的復雜性，也節(jié)約了成本。 系統(tǒng)的器件選型本系統(tǒng)設計的目的在于開發(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、單片機和DSP三大類。DSP與單片機、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相比，DSP具有較高的集成度并具有更快的運行速度，DSP器件比16位單片機單指令執(zhí)行時間快8~10倍，在乘法處理上，DSP的優(yōu)勢更為明顯，完成一次乘累加運算快16~30倍。這一性能決定了DSP的應用領域主要集中在較復雜的算法處理中，如：數(shù)字圖象處理、數(shù)字語音編碼等領域，而單片機則主要用于工業(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行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP芯片是實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術的硬件支持，是數(shù)字信號處理技術與數(shù)字信號處理應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TMS320C2000系列，TMS320C5000系列，TMS320C6000系列，本系統(tǒng)選用的就是TI的2000系列的TMS320F2812芯片。隨著信息技術的不斷發(fā)展DSP必將得到更加廣泛的應用。通用DSP芯片一般具有如下主要特點[810]：1．多總線結構。世界上最早的微處理器是基于馮諾伊曼結構的，其取指令、取數(shù)據(jù)都是通過同一條總線完成的，因此必須分時進行，在高速運算時，往往傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應。而DSP內(nèi)部采用的哈佛（Harvard）結構，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)和程序進行尋址。2．指令系統(tǒng)的流水線操作。在改進的哈佛結構的基礎上，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，從而進一步增強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實現(xiàn)快速運算的重要保障。在一般計算機上，算術邏輯單遠（ALU）只能完成倆個操作數(shù)的加、減法及邏輯運算，而乘法（或除法）則由加法和移位來實現(xiàn)。而DSP器件配有獨立的乘法器和加法器，單個周期可以完成相乘、累加倆個運算，大大提高了運算效率。4．快速的指令周期。CMOS技術、先進的工藝及集成電路的優(yōu)化設計、工作電壓的下降（5V，），使得DSP芯片的主頻不斷提高。目前C64。隨著微電子技術的發(fā)展以近RISC設計思想在DSP芯片設計和生產(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)核的定點數(shù)字信號處理器[11]。器件上集成了多種先進的外設，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算精度（32位）和系統(tǒng)的處理能力（達到150MIPS）下面列出TMS320F2812的主要特征：1．采用高性能靜態(tài)CMOS技術，主頻達到150MHZ（）。2．高性能32位CPU，哈佛總線結構，4MB的程序/數(shù)據(jù)尋址空間。3．存儲空間：18k16位0等待周期片上SRAM和128K16位片上FLASH（存儲時間36ns）；3個獨立的片選信號，最多1MB的尋址空間。4．豐富的片內(nèi)外設：178。 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；178。 一個模數(shù)轉換模塊ADC（AnalogtoDignal Converter）；178。 3個32位的CPU定時器；2個異步串行通信接口SCI（Serial Communications Interface）；178。 一個高速同步串行口SPI（Serial Peripheral Interface）；178。 最高通信速率可達到1Mbps的增強型CAN接口（Enhanced Controller Area Network）；178。 多通道緩沖串行接口McBSP（Multichannel Buffered Serial Port）；178。 56個通用目的數(shù)字量I/O即GPIO模塊；178。 (仿真接口)；5．三個外部中斷，可擴展的外設中斷模塊支持45個外設中斷源。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)實現(xiàn)、降低成本；有著較多的I/O可以靈活的配置，多達56個可配置通用目的I/O引腳，可以很方便的實現(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構，片內(nèi)有六條獨立、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)；系統(tǒng)采用高性能靜態(tài)CMOS技術，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)轉換器就是這款DSP的片上自帶的模數(shù)轉換模塊(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、具有流水線結構的模數(shù)轉換器。模數(shù)轉換單元的模擬電路包括前向模擬多路復用開關(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)轉換單元的數(shù)字電路包括可變成轉換序列器、結果寄存器、與模擬電路的接口、與芯片的外設總線的接口以及其他片上模塊的接口。該模塊有16個通道，單通道轉換的見是80ns。當然系統(tǒng)也可采用專用的ADC芯片，如6通道16位的ADS8364模數(shù)轉換芯片、8通道14位的MAX125模數(shù)轉換芯片。若F2812芯片自帶的ADC模塊無法達到系統(tǒng)所要求的精度，則要采用外擴模數(shù)轉換芯片的方案，而本系統(tǒng)對采樣精度要求達到8位即可，F(xiàn)2812芯片能夠滿足系統(tǒng)要求，在第三章第一節(jié)有詳細的介紹。 串型接口的選型計算機接口方面主要有以下幾種：PCI總線、ISA總線、RS232串口、USB串口等。現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笕找嫣岣?，要求有很高的傳輸速率和傳輸精度，而現(xiàn)在通用的傳輸總線，如PCI總線或ISA總線，存在以下缺點：安裝麻煩、價格昂貴；受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴展性差；在一些電磁干擾性強的測試現(xiàn)場，無法專門對其電磁屏蔽，導致采集的數(shù)據(jù)失真。USB總線接口具有熱插拔、速度快（包括低、中、高模式）和外設容量大（理論上可掛接127個設備）、支持即插即用（Plugamp。Play）等優(yōu)點，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢[5][12]?；赨SB的高速數(shù)據(jù)傳輸充分利用USB總線的上述優(yōu)點，有效結局了傳統(tǒng)總線傳輸?shù)娜毕?。使其成為PC機的外圍設備擴展中應用日益廣泛的接口標準。由于USB市場被業(yè)界廣泛看好，國際上很多大的半導體廠商都爭先推出各自的USB接口解決方案，歸納起來可分為兩種：一種是采用普通單片機加上USB專用芯片方法；另一種方法是采用內(nèi)嵌通用微控制器的USB控制芯片，是在通用微控制器的基礎上擴展了USB功能。兩種方法各有利弊：前者投資小，可利用普通單片機開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)外設應用程序，其優(yōu)點是開發(fā)者熟悉這些通用微控制器的結構和指令集，相關資料豐富，易于進行開發(fā)。目前，在國內(nèi)應用較多的USB的控制器主要有National Semiconductor的USBN9602系列、Philips的PDIUSBD12系列、SCANLOGIC的SLUR系列以及Cypress的FZUSB系列。其中前兩種屬于專用的USB接口芯片，使用時需外接微控制器；而后兩者屬于內(nèi)嵌通用微控制器的USB控制芯片。為了減小硬件設計的復雜度，加快系統(tǒng)的開發(fā)速度，上位機與板卡的接口器件選用Cypress公司EZUSB FX2系列中的CY7C68013A（下面簡稱68013）。，在芯片上集成USB收發(fā)器（USB Transceiver），串行接口引擎（Serial Interface Engine，SIE），CPU（增強型8051微控制器）和一個通用可編程GPIF接口（General Programmable Interface，GPIF）[13]。集成的USB收發(fā)器通過USB電纜D+和D—的連接到主機，串行接口引擎進行數(shù)據(jù)的編碼和解碼、完成錯誤檢驗、位填充和其他USB需要的信號級任務[1415]。最終，SIE傳輸來自或將要到達USB接口的數(shù)據(jù)。這種全面集成的解決方