基于DSP與CPLD的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要對(duì)模擬量進(jìn)行測(cè)量，通常的方法是以MCU為主產(chǎn)生采集控制時(shí)序控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并通過(guò)中斷或查詢(xún)的方式讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。由MCU產(chǎn)生采集控制時(shí)序?qū)⒄加幂^多的系統(tǒng)軟硬件資源。而在一般復(fù)雜的多路信號(hào)測(cè)控系統(tǒng)中，MCU需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通訊，數(shù)據(jù)處理等多項(xiàng)工作，如果再需要其頻繁地產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器的控制時(shí)序，將會(huì)影響系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸。本文采用CPLD產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的控制時(shí)序，使得CPLD主要實(shí)現(xiàn)A/D時(shí)序控制的功能，DSP主要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以DSP和CPLD為核心，模擬信號(hào)從模擬多路開(kāi)關(guān)CD4067接人，利用CPLD進(jìn)行使能其輸入。使用DSP的GPIO口作為模擬多路開(kāi)關(guān)的通道號(hào)的選擇。A/D轉(zhuǎn)換器使用MAXIM公司的MAX194，其控制時(shí)序由CPLD產(chǎn)生。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)EOC信號(hào)，該信號(hào)作為L(zhǎng)F2407的外部中斷，當(dāng)DSP接收到該轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，進(jìn)入相應(yīng)的外部中斷程序，使用SPI總線(xiàn)來(lái)接收A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字值，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控DSP芯片TMS320LF2407A

系統(tǒng)的主控制器采用了TMS320LF2407A，3.3 V靜態(tài)CMOS工藝，40 MIPS，具有16位地址總線(xiàn)，16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，3個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，包括可用的64 kB程序空間，35.5 kB數(shù)據(jù)空間以及64 kB的I/O空間。訪(fǎng)問(wèn)不同的存儲(chǔ)空間時(shí)，DSP有相應(yīng)的引腳作為選通信號(hào)，PS對(duì)應(yīng)程序空間，DS對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)空間，IS對(duì)應(yīng)IO空間，均為低電平有效。本系統(tǒng)將MAX194 A/D轉(zhuǎn)換器映射到I/O空間0000H-7fffH，其使能的邏輯表達(dá)式為：CS=A15+IS。多路模擬開(kāi)關(guān)映射到I/O空間的8000H-ffffH，其使能邏輯表達(dá)式為：CS=A15+IS。式中IS是I/O空間選通信號(hào)線(xiàn)。

TMS320LF2407A的內(nèi)部具有32 kB FLASH程序存儲(chǔ)器，2.5 kB RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。FLASH可滿(mǎn)足DSP系統(tǒng)程序存儲(chǔ)的需要，而2.5 kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可能不夠。而且研發(fā)階段一般將程序?qū)懺赗AM上，所以設(shè)計(jì)選用了Cypress Semiconductor公司的CY7C1021V33的SRAM，該SRAM為64 kB，設(shè)計(jì)中設(shè)定0000H-7ffffH為程序空間，8000H-ffffH為數(shù)據(jù)空間。外擴(kuò)SRAM的邏輯表達(dá)式為：CS=(A15+PS+DS)(A15+PS+DS)。式中CS是SRAM的片選信號(hào)線(xiàn)，A15是DSP的第16根地址線(xiàn)，PS是程序空間選通信號(hào)線(xiàn)，DS是數(shù)據(jù)空間選通信號(hào)線(xiàn)。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊MAX194

TMS320LF2407A芯片內(nèi)置16通道A/D轉(zhuǎn)換器，但是只能輸入單極性電壓，只有10位的分辨率，精度很不理想，所以需要外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換芯片。經(jīng)過(guò)多方比較，筆者選用了MAXIM公司的MAXl94芯片，它是一種逐漸次比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高精度，低功耗等特點(diǎn)。MAX194的內(nèi)部設(shè)有校準(zhǔn)電路，用于保證全溫度范圍內(nèi)的線(xiàn)性度，且不需要外部的調(diào)整電路。分開(kāi)的模擬和數(shù)字供電，最大限度地減少了數(shù)字耦合噪聲。其主要特征有：14位分辨率，1/2 LSB非線(xiàn)性度，82 dB的信噪比，低功耗，單極性或雙極性輸入，三態(tài)串行輸出。

MAX194具有兩種接口模式：同步模式和異步模式。同步模式：MAX194在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，每轉(zhuǎn)換完一個(gè)，數(shù)據(jù)位就輸出一位。此時(shí)，SCLK應(yīng)該接地，CLK即作為ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘又作為串行接口的移位輸出時(shí)鐘。異步模式：DSP只能在MAX194完成一次轉(zhuǎn)換之后才能將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，然后啟動(dòng)下一次的轉(zhuǎn)換。這種模式降低了MAX194連續(xù)轉(zhuǎn)換的速度。

使用CPLD來(lái)控制MAX194，可以方便地控制MAX194工作在同步或者異步狀態(tài)，而不需要對(duì)硬件電路做任何改動(dòng)，僅需要修改CPLD中的程序即可。本設(shè)計(jì)將MAX194設(shè)定在異步工作模式下，MAX194異步模式時(shí)序圖如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的時(shí)序圖，將采樣控制過(guò)程分成了4個(gè)狀態(tài)：

(1)初始狀態(tài)：MAX194采樣控制信號(hào)初始化，各采樣控制狀態(tài)置零。

(2)啟動(dòng)采樣狀態(tài)：將MAX194的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)START置低并保持至少兩個(gè)CLK周期。

(3)轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)：將MAX194的啟動(dòng)信號(hào)START置高并檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)EOC，當(dāng)它由高電平變成低電平時(shí)即表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。因此，這個(gè)狀態(tài)與上個(gè)狀態(tài)一樣是看EOC信號(hào)是否有變化，若是有變化，則轉(zhuǎn)到下個(gè)狀態(tài)，若是沒(méi)有變化，則將一直在這個(gè)狀態(tài)中循環(huán)，直到EOC信號(hào)有變化為止。

(4)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出狀態(tài)：將MAX194的芯片使能信號(hào)CS置低，DSP通過(guò)SPI口將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)傳人DSP中。

根據(jù)以上工作狀態(tài)的描述，使用了VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)了A/D轉(zhuǎn)換采樣控制模塊的程序，并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真圖中看出設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換控制模塊是完全符合設(shè)計(jì)要求的。

3 軟件設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A是基于C2000平臺(tái)的，提供兩種編程語(yǔ)言：C/C+十語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。其中，C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序可讀性、可移植性強(qiáng)，且大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，但執(zhí)行效率低，程序出錯(cuò)時(shí)不易診斷。匯編語(yǔ)言程序效率高，但編寫(xiě)比較繁瑣。通常做法是程序核心部分(即經(jīng)常調(diào)用部分)采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)以降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可讀性和可修改性。本文采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)的多文件結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的中斷程序的設(shè)計(jì)。

軟件流程如圖4所示。主要分成三部分：SPI配置部分，模擬開(kāi)關(guān)控制部分，A/D轉(zhuǎn)換控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。

3.1 SPI配置部分

對(duì)于LF2407A，串行SPI外設(shè)接口有9個(gè)寄存器，用于控制其操作。在本設(shè)計(jì)中將LF2407A的SPI接口設(shè)定在主模式下，在該模式下，采用主控制器發(fā)送偽數(shù)據(jù)，從控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。主控制器可在任何時(shí)刻啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送，因?yàn)樗刂浦鳶PICLK信號(hào)。但軟件決定了主控制器如何檢測(cè)從控制器何時(shí)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI接口模塊的初始化程序如下：

3.2 模擬多路開(kāi)關(guān)選通部分

由于多路模擬開(kāi)關(guān)映射到DSP的I/O空間中的0X8000-0XFFFF之間，所以在DSP程序中，對(duì)0X8000-0XFFFF之間進(jìn)行一個(gè)讀操作，由DSP的GPIO選擇的通道就被選通，信號(hào)由CD4067輸出到A/D轉(zhuǎn)換器MAXl94。

讀地址產(chǎn)生的低電平信號(hào)CS的保持時(shí)間由訪(fǎng)問(wèn)I/O空間的等待時(shí)間決定的，通過(guò)設(shè)置等待狀態(tài)寄存器來(lái)保證獲得有效的延時(shí)時(shí)間。

3.3 MAX194轉(zhuǎn)換控制部分

由于A(yíng)/D映射DSP的I/O空間的0x0000～0x7fff之間，類(lèi)似于模擬多路開(kāi)關(guān)，也需要對(duì)該空間進(jìn)行一個(gè)讀操作。

4 結(jié)語(yǔ)

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在嵌入式測(cè)控系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TMS320LF2407A與EPM570T100C5N的MAX194的多通道采集系統(tǒng)，詳細(xì)描述了MAX194，CPLD與DSP之間的硬件與軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在筆者參與的嵌入式測(cè)量控制系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。