【文章內(nèi)容簡介】 D/A 轉(zhuǎn)換電路、 I/O 輸出電路等。其中， A/D 轉(zhuǎn)換、計算機處理電路、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、 I/O 輸出電路是必不可少的部分，而數(shù)據(jù)采集電路、信號處理電路可以在傳感器獲得測控現(xiàn)場的各種測控對象的數(shù)據(jù)后進行相關(guān)處理，再將處理過后的模擬量傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換電路，進入整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行相關(guān)的處理。 在本次設(shè)計當中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如 圖 所示 ： 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng) 由 AD轉(zhuǎn)換器、 DA 轉(zhuǎn)換器、 DSP、雙端口數(shù)據(jù)存儲器 SRAM、 Flash程序存儲器 以及電源轉(zhuǎn)換電路 組成。 在本次設(shè)計當中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心處理器選擇 TMS320VC5409， 由于 TMS320VC5409 采用雙電源供電，故此，采用 TI公司的 TPS73xx 系列電壓轉(zhuǎn)換芯片來設(shè)計整個系統(tǒng)的電源。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不可或缺的部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路主要實現(xiàn) 將由各傳感器得到的測控現(xiàn)場的各個測控對象的參數(shù)的模擬信號 到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換， 在本次設(shè)計中， 采用 TI 公司的 TLV1571 單通道的10位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 采用 SST29LE010連接到 TMS320VC5409作為其外部程序存儲器，供 DSP上電 后啟動 Boot loader 程序 載入 用戶程序， 將 Flash 中保存的程序載入DSP 中運行。 此外 采用 CY7C135 雙端口靜態(tài) RAM 作為 DSP 的數(shù)據(jù)存儲器的擴展，目的是將 AD 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后 的數(shù)據(jù)由 DSP 芯片傳輸?shù)诫p端口 RAM 中，然后由 PCI 目標接口芯片讀雙端口 RAM 中的數(shù)據(jù)，再通過 PCI總線將數(shù)據(jù)傳輸南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 到上位 PC 機中，以達到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位 PC 機通訊的目的。 當上位 PC 機將處理好的數(shù)據(jù)通過 PCI 總線傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，需要將處理好的數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號，再將模擬信號傳輸?shù)綔y控現(xiàn)場，以 達到 控制測控現(xiàn)場的各個測控 對象 參數(shù) 的目的 。 整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用 PCI 總線作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位 PC 機的通訊方式， PCI 接口模塊設(shè)計，可以采用兩種方案：采用可編程邏輯器件（如：CPLD 和 FPGA）和采用專門的 PCI 接口芯片（如： PCI905 CH365）。在本次設(shè)計中， 采用 PCI接口芯片 CH365 來設(shè)計 PCI 接口電路。 連接測試組 JTAG（ Joint Test Action Group）接口用于連接 DSP 最小系統(tǒng)板和仿真器，實現(xiàn)仿真器對 DSP 的訪問， JTAG 接口的連接需要和仿真器上的接口一致。在 DSP 系統(tǒng)設(shè)計中，無論使用什么型號的仿真器，其JTAG 接口都滿足 標準。在本次設(shè)計當中，使用合眾達電子 Seed DSP 的 USB 接口的仿真器，其滿足 接口 14腳 JTAG 接口標準。 此外， 為了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能正常工作，需要對 DSP芯片進行相關(guān)的處理，其中包括 DSP芯片相關(guān)管腳處理以及時鐘信號設(shè)計等電路設(shè)計。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 三 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計 基于 DSP 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括以下幾個部分：電源設(shè)計，程序存儲器擴展，數(shù)據(jù)存儲器擴展， A/D 擴展， D/A 擴展， DSP 芯片配置、PCI 接口電路設(shè)計。 在本次的設(shè)計中，選擇 TI公司的 TMS320VC5409DSP 芯片作為整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心處理器。 電源設(shè)計 為了 降低芯片功耗 ， TMS320C54x 系列芯片大部分采用低電壓設(shè)計，并且采用雙電源供電方式，即內(nèi)核電源 CVDD()和 I/O 電源 DVDD()。 電源電壓和電流要求 TMS320VC5409 DSP 芯片采用雙電源供電方式，以獲得更好的電源性能，其工作 電壓分別為 和 ，其中 為 I/O 電源 DVDD， 主要 提供 I/O接口使用，通常情況下可直接與外部低電壓器件進行接口，而不需要額外的電平變換電路。 為內(nèi)核電源 CVDD，主要為芯片的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括 CPU、時鐘電路和所有的外設(shè)邏輯。 與 電源相比， 電源 可大大降低芯片的功耗。 由于 TMS320VC5409 芯片采用雙電源供電方式，使用時需考慮它們的加電順序。理想情況下， DSP 芯片上的兩個電源應(yīng)同時加電，但在有些場合很難做到。若不能做到同時加電，應(yīng)先對 DVDD 加電，然后對 CVDD 加電，同時要求 DVDD電壓不超過 CVDD 電壓 2V。 TMS320VC5409 芯片的電流消耗主要取決于器件的激活度，而內(nèi)核電源CVDD 所消耗的電流主要取決于 CPU 的激活度，外設(shè)消耗的電流主要取決于正在工作的外設(shè) 及其速度。與 CPU 相比，外設(shè)消耗的電流通常比較 小。時鐘電路也需要消耗一小部分電流，而且是恒定的，與 CPU和外設(shè)的激活度無關(guān)。 I/O 電源 DVDD僅為外設(shè)接口引腳提供電壓，消耗的電流取決于外部輸出的速度、數(shù)量以及輸出端的負載電容。 TMS320VC5409 電源電壓的產(chǎn)生 DSP 芯片采用哪種供電機制，主要取決于應(yīng)用系統(tǒng)中提供的電源。在實際中，大部分數(shù)字系統(tǒng)所使用的電源可工作于 5V 或者 ，因此有兩種產(chǎn)生芯片電源電壓的方案。 第一種方案， 5V 電源通過兩個電壓調(diào)節(jié)器，分別產(chǎn)生 和 電壓。 如圖 所示。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第二種方案，僅使用一個電 壓調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生 電壓，而 DVDD 電壓直接取自 電源。 如圖 所示。 圖 由 5V 產(chǎn)生雙電源 圖 由 產(chǎn)生雙電源 綜合整個系統(tǒng)的性能和電源的要求，在本次設(shè)計中采用第一種方案，即由 5V 的電源產(chǎn)生 DVDD()和 CVDD()雙電源。采用 TI 公司提供的電源設(shè)計芯片， TPS73xx系列電壓轉(zhuǎn)換芯片， 例如 TPS730 TPS7333 等，它們是 TI公司為了配合 TMS320C54x系列 DSP而專門設(shè)計的電壓轉(zhuǎn)換芯片。其中 TPS7301 可提供一路 的輸出電壓， 而 TPS7333 可提供一路 的輸出電壓，而 TPS7301 和 TPS7333 都是 5V 電壓 的工作芯片。 TPS73xx 系列電壓轉(zhuǎn)換芯片的硬件連接如下所示： 圖 TPS73xx 系列電壓轉(zhuǎn)換芯片的連接 其中 TPS73xx 系列電壓轉(zhuǎn)換的輸出電壓的關(guān)系如下： VO=VREF（ 1+R1/R2） 表達式中， VREF 為基準電壓，其典型值為 。 電阻 R1 和 R2 選擇的準則是使分壓器電流近似于 7uA。推薦的 R2 的阻值為 169K， R1 的阻值則根據(jù)所需要的輸出電壓來調(diào)整（一般為 82K）。因為 FB 端的漏電流會引起誤差， 所以應(yīng)當避免使用較大值的 R1 與 R2。 根據(jù)上述關(guān)系式可得到不通輸出電壓對應(yīng)的 R1 阻值如表 所示： 表 輸出電壓與電阻值的關(guān)系 (電壓單位為 V，電阻單位為 KΩ ) 輸出電壓 （ V） R1（ KΩ） R2（ KΩ） 82 180 309 169 注：符合表中阻值的電阻屬于高精度電阻，實際中可以使用普通電阻，例如，對于 ，可以選擇 R1＝ 82K與 R2＝ 180K 的電阻。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 采用 TPS730和 TOS7333 兩個電壓轉(zhuǎn)換芯片作為 DSP系統(tǒng)的 雙電源 供電方式，最后得到的雙電源設(shè) 計 基本原理如圖所示 ： 圖 雙電源設(shè)計原理圖 首先使用變壓器將 220V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?5V 的電壓，作為 TPS730 和TPS7333 芯片的工作 電壓，通過不通的電阻組合來使 TPS730 和 TPS7333 芯片的輸出電壓為 和 。并通過兩個芯片的復位引腳輸出信號作為DSP 芯片的復位信號，達到對 DSP 芯片復位的目的。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 模數(shù) 轉(zhuǎn)換，即將采集到的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號。 是模擬輸入通道的一個重要的組成部分， 也 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當中被測對 象與微機之間的聯(lián)系通道，由于微機只能接收數(shù)字電信號，而被測對象常常是一些非電量，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的作用是將傳感器采樣得到的模擬電信號轉(zhuǎn)換成微機能接收的數(shù)字電信號。 在本次數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計當中，選擇的是 TI 公司生產(chǎn)的 TLV1571,它是一款單通道、十位數(shù)字信號輸出、并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 TLV1571 內(nèi)部含有兩個控制寄存器 CR0 和 CR1，通過配置控制寄存器， TLV1571 可以選擇不同的工作方式。 TLV1571 的時鐘源有內(nèi)部時鐘和外部時鐘兩種方式，時鐘信號可以由 CLK 引腳引入，也可以由 TLV1571 內(nèi)部時鐘產(chǎn) 生。和一般的AD轉(zhuǎn)換其不同， TLC1571 外部時鐘信號必須經(jīng)過 TLV1571內(nèi)部 MUX 時鐘電 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 路來提供給各個通道。由于 TLV1571 本身也帶有時鐘，因此 TLV1571 對各種時鐘信號都兼容，這些時鐘信號包括正弦波或者方波、 TTL 電平或者CMOS 電平。 外部模擬信號從 TLV1571 的 AIN 引腳輸入，信號到達 TLV1571 的中心單元（ 10bit 觸發(fā)式 AD） ，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時 TLV1571 內(nèi)部輸入寄存器和邏輯控制單元控制信號轉(zhuǎn)變的方式，數(shù)字信號經(jīng)過邏輯校驗單元到達三態(tài)數(shù)據(jù)輸出寄存器輸出。此外， TLV1571 提供外部數(shù)據(jù)輸出中斷信號 INT 引腳，該引腳信號連接到 DSP 的中斷信號， DSP 收到中斷信號就可以讀取數(shù)據(jù)總線，獲得采樣信號。 TLV1571 有硬件啟動和軟件啟動兩種方式，通過設(shè)置控制寄存器 位來選擇時硬件啟動方式還是軟件啟動方式。此外， TLV1571 內(nèi)置有 10MHz 的振蕩器，通過設(shè)置 CR1 控制寄存器的 D6 位，可使內(nèi)部振蕩器的速度提高 1 倍。若果 =0，則時鐘頻率不發(fā)生改變。通過設(shè)置 位，可以設(shè)置 TLV1571 數(shù)字信號輸出格式， =0，輸出數(shù)據(jù)格式使直接二進制格 式， ＝ 0，輸出數(shù)據(jù)格式是二進制補碼格式。 TLV1571 的控制寄存器用于配置采樣控制。如前所述， TLV1571 有兩個控制寄存器 CR0 和 CR1。 TLV1571 的數(shù)據(jù)總線的 D9 和 D8 引腳，也就是A1和 A0 引腳，用于區(qū)分當前配置哪一個寄存器， 00 表示配置 CR0 寄存器， 01表示配置 CR1 寄存器。 TLV1571 接收到寫信號脈沖信號后，就會將數(shù)據(jù)總線的值直接寫入相應(yīng)的控制寄存器。 TLV1571 內(nèi)部控制寄存器的格式如表 所示： 表 TLV1571 內(nèi)部控制寄存器數(shù)據(jù)格式 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 表中 D7～ D0 的含義在選擇的控制寄存器不同，會有所區(qū)別。對于TLV1571 來說，寄存器設(shè)置如下：單通道輸入設(shè)置 ＝ 0， ＝ 0；采用軟件啟動方式設(shè)置 =1；采用內(nèi)部時鐘源方式使之 =0；時鐘為 20MHz 設(shè)置 ＝ 1；采用二進制輸出方式設(shè)置 =0。最終控制寄存器的設(shè)置為 CR0=0080H， CR1=0140H。將這兩個數(shù)據(jù)寫到控制寄存器， TLV1571 將按照以上設(shè)置開始工作。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 在圖 中，使用 38 地址譯碼器 74LS138 的 Y0輸出端口作為 TLV1571的片選信號，使用 DSP 的 R/W引腳控制 TLV1571 的寫信號， DSP 和 TLV1571的數(shù)據(jù)總線直接相連，使用 DSP 的 XF引腳控制 TLV1571 的讀信號。 圖 TLV1571 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口設(shè)計 程序存儲器擴展模塊設(shè)計 TMS320VC5409含有 16位的 16K的片上程序存儲器，共有 23根地址線，最多可擴展 8 兆字外部程序存儲空間。擴展程序存儲器時，除 了考慮地址空間的分配外，關(guān)鍵 是 存儲器讀寫控制和片選信號控制與 DSP 的外部地址總線、數(shù)據(jù)總線以及控制總線的時序配合。 程序存儲器的工作方式 通常情況下，程序存儲器 ROM 有三種工作方式，分別 為 讀操作、維持操作和編程操作。 讀操作：由于 ROM 的內(nèi)容 不 能改寫，程序存儲器只能進行讀操作。如果存儲器的片選信號和輸出使能信號同時有效，地址線所選中單元的內(nèi)容將出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，實現(xiàn)讀操作。 維持操作：當片選信號無效時，存儲器處于維持狀態(tài)，存儲芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線均為高阻狀態(tài)，存儲器 不 占用地址總線和數(shù)據(jù)總 線。 編程操作：當編程電源加到規(guī)定的電壓 時 ，片選和讀允許端加入要求的電平，通過編程器可將數(shù)據(jù)固化到存儲器中，完成編程操作。 擴展程序存儲器 目前，市場上的 EPROM 工作電壓一般都為 5V，與 的 DSP 芯片連接時需要考慮電平轉(zhuǎn)換的問題，而且體積都很達。 FLASH 存儲器與 EPROM相比，具有更高的性價比，而且體積小、功耗低、可電擦寫、使用方便，并且 FL