【正文】 上都獲得了迅速發(fā)展。DSP芯片在的高速信號處理方面具有速度快、運算性能好等優(yōu)點，內部采用改進的哈佛結構，使得微處理器 的并行處理能力大大增強[24]。USB是一些PC大廠商如Microsoft、Intel等為了結局日益增加的PC外設與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標準，自1995年在Comdex上亮相以來至今廣泛地為各PC廠家所支持。與其他通信接口比較，USB接口的最大特點是易于使用，這也是USB的主要設計目標。易于使用還表現(xiàn)在USB接口支持熱插拔，并且所有的配置過程都由系統(tǒng)自動完成，無需用戶干預[5]。 DSP系統(tǒng)的構成及設計過程DSP是一種具有特殊結構的嵌入式微處理器，為了達到快速數(shù)字信號處理的目的，DSP芯片一般具有哈佛結構的并行總縣體系、流水線操作功能、快速的中斷處理和硬件I/O支持、低開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持、單周期硬件地址產(chǎn)生器、單周期硬件乘法器以及一套適合數(shù)字信號處理的指令集。抗混疊濾 波輸入A/DDSP芯片D/A平滑輸出輸出圖11典型的DSP應用系統(tǒng)輸入信號首先進行帶限濾波抽樣，然后進行AD轉換把模擬信號變換成數(shù)字信號。圖11給出的DSP應用系統(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。有的系統(tǒng)的輸入信號本身就是一個數(shù)字信號，顯然不必再進行模數(shù)變換了。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、結構、可靠性和可維護性等。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應用系統(tǒng)上運行。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。這些核心包括DSP、USB、存儲器等，研究的主要內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。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固件程序進行調試。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，在內部 進行一些算法調試工作。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。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。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。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。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?；再?jīng)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(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。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)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。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。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。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。通用DSP芯片一般具有如下主要特點[810]：1．多總線結構。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。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。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。3．專用硬件乘法器。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)。4．快速的指令周期。目前C64。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。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]。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（）。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。 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。 3個32位的CPU定時器；2個異步串行通信接口SCI（Serial Communications Interface）；178。 最高通信速率可達到1Mbps的增強型CAN接口（Enhanced Controller Area Network）；178。 56個通用目的數(shù)字量I/O即GPIO模塊；178。6．功耗低；128位的安全密碼。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。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。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。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。 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。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?；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?。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。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。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）。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]。這種全面集成的解決方案，占用更少的電路板空間，并縮短了開發(fā)時間。該芯片是一種集成了USB協(xié)議的微處理器，它能自動對各種USB事件做出響應，以處理USB總線上的數(shù)據(jù)傳輸。許多DSP都提供了具備片內ROM型的產(chǎn)品，片內ROM可以將定型的程序代碼固化到DSP片內，從而減少了系統(tǒng)的體積、功耗、電磁輻射干擾，速度也有所提高，當大批量生產(chǎn)可以降低成本。一個獨立系統(tǒng)必須有EPROM或Flash等非易性存儲器來存放程序、初始化數(shù)據(jù)等。外部存儲器的選擇主要考慮的因素：存儲容量、存儲速度、價格和功耗。存儲器的存儲速度必須要與CPU的速度匹配起來。因此，選擇外部存儲器時，應使設計中模塊的數(shù)目盡可能的大。該芯片是512K16bit的告訴CMOS靜態(tài)存儲器，存取速度為12ns。電源芯片：系統(tǒng)中所需的電源有四種：+12V、+5V、++。 本章小結本章從全局出發(fā)根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，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)的基本結構和工作過程，并根據(jù)各個功能模塊特點對主要處理器芯片及外圍芯片的選型進行了分析。一種是前端外擴一個專用的模數(shù)轉換芯片[20]，比如外擴一片ADS8364，采樣精度可達到16位；另外一種是直接應用F2812的ADC模塊，由于芯片自身的一些限制，AD轉換的精度最多只能達到12位。 采用ADS8364作采集芯片如果系統(tǒng)要求模數(shù)轉換器的分辨率保證12位以上的話，F(xiàn)2812芯片內置的12位A/D轉換模塊無法滿足系統(tǒng)分析的要求，那么必須外接A/D轉換芯片。另外，因此省去了電源變換。ADS8364是高速、低功耗、6通道同步采樣的16位模數(shù)轉換器。另外，在REFIN和REFOUT引腳內部還帶有+。ADS8364模數(shù)轉器中的6個16位AD準換通道可以成對同步工作。對于每一個讀操作，ADS8364均輸出16位數(shù)據(jù)，地址/模式信號（A0、AA3）可以選擇如何從ADS8364讀取數(shù)據(jù)，也可以選擇單通道、單周期或FIFO模式。這個低電平可使各個通道的采樣保持放大器同時處于保持狀態(tài)，從而使每個通道同時開始準換。另外，通過/RD和/CS為低電平可使數(shù)據(jù)讀出到并行輸出總線。因此，為了得到最大的輸出數(shù)據(jù)率，讀取數(shù)據(jù)可以在下一個轉換周期進行。盡管在模數(shù)轉換模塊中有多個輸入通道和倆個排序器，但僅有一個轉換器。兩個8通道模塊能夠自動排序，每個模塊可以通過多路選擇器（MUX）選擇8通道中的任何一個通道。自動排序器允許對同一個通道進行多次采集，用戶可以完成采樣算法，這樣可以獲得更高的采樣精度。2．兩個采樣和保持器（S/H）。4．模擬輸入電壓范圍0~3V。圖32 ADC模塊功能框圖6．16個輸入通道：在一次轉換任務中，自動排序功能提供多達16個自動轉換。7．16個結果寄存器（可獨立尋址）存放ADC的轉換結果，轉換后的數(shù)字量表示為：數(shù)字值=4095{(輸入模擬電壓值—ADCLO）247。8．多個觸發(fā)器發(fā)源啟動ADC轉換（SOC）。9．靈活的中斷控制機制，允許在每一個或每隔一個轉換序列結束（EOS）時產(chǎn)生中斷請求。11．在雙排序模式時，EVA和EVB可以獨立的觸發(fā)SEQ1和SEQ2。圖33 DSP自帶ADC采樣與理論值的比較圖（輸入電壓0~3V） DSP的外圍電路設計 電源電路本系統(tǒng)中用到了5V、還需要12V的電壓驅動電機，本系統(tǒng)采用TI公司的芯片TPS75733和TPS76081，將電路板外接的+5V轉換成+，電源輸出+12V，+5V和—5V的電壓。F2812芯片需要I/O（）先上電，內核（）后上電，這與TI其它型號DSP的上電次序不同，因此在電源電路的設計中要格外注意。為了使輸入電源更穩(wěn)定，對于前端輸入的+5V電壓，用47uF的電容對它進行濾波，同樣為了使DSP的供電電源更穩(wěn)定，我們對兩片電源芯片的輸出電源也做了濾波處理，分別在++。圖34 DSP的電源供電電路在關于F2812供電設計中，有的設計者將電源芯片選用TPS767D318[23]。電源電路設計時要注意數(shù)字地和模擬地分開，系統(tǒng)設計中用600R 100MHz 1A的磁珠將兩者分開，避免公共地阻抗對模擬信號和數(shù)字信號產(chǎn)生耦合作用。此外選擇+5V電源時，要注意電源的質量。更換成高性能的電源后，采集結果明顯改善，所以在選用電源時要注意電源的質量，特別是開關電源，它的電源紋波不能太大，否則會對高頻系統(tǒng)造成很大的干擾?；赑LL的時鐘模塊提供了兩種操作模式，一種是晶振操作，該方式允許使用外部晶振給芯片提供時基；一種是外部震蕩器輸入到X1/CLKIN引腳[11]。而選用第一種晶振操作模式，可以將一個較低的外部時鐘源通過內部倍頻的手段達到DSP的工作頻率，PLL的倍頻因子由PLLCR寄存器的3，2，1，0位決定，如表31所示，OSCCLK是晶振頻率。在設計時鐘電路和設置時鐘倍頻時，要注意切忌倍頻系數(shù)與外部時鐘源頻率的乘積大于F2812的最高主頻150