【文章內容簡介】 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。 哈爾濱理工大學學士學位論文 5 第 2章 系統(tǒng)的實現(xiàn)方案 采集處理系統(tǒng)分析 本 數(shù)據采集處理系統(tǒng)采用內部有模數(shù)轉換起的 DSP 作為主處理器，這是一種結構簡單、功能強大、經濟實用的多通道高速數(shù)據采集處理 系統(tǒng)，不僅具有數(shù)據采集與傳輸功能，同時具有運動控制功能。它由機械運動、傳感器、數(shù)據采集、數(shù)據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，根據采集到的數(shù)據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、脈寬調制PWM 電路、捕捉器、光電編碼器、串行通信接口、看門夠等片內外設為 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。 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)據采集處理系統(tǒng)通過 USB 接口接受 PC 機命令，進行數(shù)據采集與數(shù)據傳輸；啟動步電機控制傳感器采集數(shù)據然后變?yōu)殡娦盘?；?經過信號調理達到 DSP 的輸入電壓標準后，使用 F2812 芯片內部的模數(shù)轉換模塊（ ADC）進行數(shù)據的采集及 A/D 轉換；轉換后的數(shù)據預先存儲到片外的 RAM中，再經 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。 根據系統(tǒng)各部分的功能的不同，可將系統(tǒng)分為輸入信號調理模塊、數(shù)字信號處理模塊和 USB 模塊。期中輸入信號調理模塊主要是對被采集的模擬信號進行調理（ 如電平變換和濾波 ） ，以滿足數(shù)字電路對信號的要求；數(shù)字信號處理模傳感器 TMS320F2812 步進電機 電源 SRAM USB 上位機 信號調理 哈爾濱理工大學學士學位論文 6 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)據量較大，因此需要一種高速的數(shù)據傳輸方式，而 總線傳輸速度快，能達到480Mbit/s 的速度，滿足了本系統(tǒng)數(shù)據傳輸?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 產品根據功能氛圍 三個系列 TMS320C2020 系列， TMS320C5000 系列，TMS320C6000 系列，本系統(tǒng)選用的就是 TI 的 2020 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 內部采用的哈佛（ Harvard）結構，它在片內至少有四套總線；程序地址總線、程序數(shù)據總線、數(shù)據 的地址總線和數(shù)據的數(shù)據總線。這中分離的程序和數(shù)據總線，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)據和程序進行尋址。 哈爾濱理工大學學士學位論文 7 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 DSP 高速時鐘已達 。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)據存儲器的容量、片內的資源，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（時鐘周期 ）， 核心低電壓設計。 2． 高性能 32 位 CPU，哈佛總線結構， 4MB 的程序 /數(shù)據尋址空間。 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 個獨立的片選信號，最多 1MB 的尋址空間。 4． 豐富的片內外設： ? 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）； ? 最高通信速率可達到 1Mbps 的增強型 CAN 接口（ Enhanced Controller Area Network）； ? 多通道緩沖串行接口 McBSP（ Multichannel Buffered Serial Port）； 哈爾濱理工大學學士學位論文 8 ? 56 個通用目的數(shù)字量 I/O 即 GPIO 模塊； ? 一個 標準 JTAG 接口 (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 模塊和片內的大容量 哈爾濱理工大學學士學位論文 9 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，片內有六條獨立、并行的數(shù)據和地址總線，極大地提高了系統(tǒng)的數(shù)據吞吐能力；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)的運行速度特別快；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，故 DSP 的最大采樣速度可達到 。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， F2812 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?，F(xiàn)在工業(yè)生產和科學研究對數(shù)據傳輸?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)據傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢 [5][12]。基于 USB 的高速數(shù)據傳輸充分利用 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?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 哈爾濱理工大學學士學位論文 10 屬于內嵌通用微控制器的 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）。這款芯片遵從 規(guī)范，在芯片上集成 USB 收發(fā)器（ USB Transceiver），串行接口引擎（ Serial Interface