【文章內(nèi)容簡介】 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(shè)計和 USB 設(shè)計倆大部分對系統(tǒng)的軟件實現(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。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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(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(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)的運動，并且將采集處理后的結(jié)果傳誦到計算機系統(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)是專為實時控制及實時信號處理而設(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 機命令，進(jìn)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?；?經(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，并在上位機上進(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)字信號處理模傳感器 TMS320F2812 步進(jìn)電機 電源 SRAM USB 上位機 信號調(diào)理 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 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Ｔ撓到y(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(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)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)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(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 [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。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 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(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(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 的增強型 CAN 接口（ Enhanced Controller Area Network）； ? 多通道緩沖串行接口 McBSP（ Multichannel Buffered Serial Port）； xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 ? 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 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)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(dá) 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(jié)構(gòu)，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)、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(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 80ns，故 DSP 的最大采樣速度可達(dá)到 。當(dāng)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(zhuǎn)換芯片、 8 通道 14 位的MAX125 模數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片。若 F2812 芯片自帶的 ADC 模塊無法達(dá)到系統(tǒng)所要求的精度，則要采用外擴模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的方案，而本系統(tǒng)對采樣精度要求達(dá)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(xì)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(xué)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(dǎo)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(shè)容量大（理論上可掛接 127 個設(shè)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]?；?USB 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(jié)局了傳統(tǒng)總線傳輸?shù)娜毕?。使其成?PC 機的外圍設(shè)備擴展中應(yīng)用日益廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)。 由于 USB 市場被業(yè)界廣泛看好，國際上很多大的半導(dǎo)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(chǔ)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(shè)應(yīng)用程序，其優(yōu)點是開發(fā)者熟悉這些通用微控制器的結(jié)構(gòu)和指令集，相關(guān)資料豐富，易于進(jìn)行開發(fā)。目前，在國內(nèi)應(yīng)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 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 屬于內(nèi)嵌通用微控制器的 USB 控制芯片。 為了減小硬件設(shè)計的復(fù)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 Engine， SIE）， CPU（增強型 8051