基于TMS320F2812的光學(xué)標(biāo)記信息采集系統(tǒng)

1引言
光標(biāo)閱讀機(jī)是一種光學(xué)標(biāo)記信息卡錄入設(shè)備,廣泛應(yīng)用于考試、人口普查、彩票投注、選舉等領(lǐng)域。目前在國(guó)內(nèi)外有多種光標(biāo)閱讀機(jī)，這些產(chǎn)品較為成熟，形式多樣，能快速準(zhǔn)確地完成信息數(shù)據(jù)錄入，但它們也有各自的缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等。本文介紹一種新型的基于DSP TMS32OF2812的光標(biāo)閱讀機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
2硬件結(jié)構(gòu)
光標(biāo)閱讀機(jī)硬件一般由LED傳感器、ADC、數(shù)據(jù)處理控制單元、PC機(jī)接口、饋紙控制等部分組成，目前常用的光學(xué)標(biāo)記閱讀機(jī)硬件結(jié)構(gòu)有兩種：數(shù)據(jù)處理控制單元采用工控板方式和數(shù)據(jù)處理控制單元采用DSP+FlaGA方式。這兩種電路比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。
本文介紹的是數(shù)據(jù)處理控制單元采用基于TMS320F2812的硬件結(jié)構(gòu)．TMS320F2812是美國(guó)TI公司研制的2000系列數(shù)字信號(hào)處理器，是面向電機(jī)控制、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的第一款具有片內(nèi)Flash、工作頻率高達(dá)150 MHz的32位DSP。TMS320 F2812采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu),利用多總線在存儲(chǔ)器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，這種多總線結(jié)構(gòu)使其可以在一個(gè)周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時(shí)它采用了指令流水線技術(shù)，保證信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性。TMS320F2812的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括14 K的RAM和128 K×16 bit的Flash：片內(nèi)集成了16通道12 bit的ADC模塊、16通道PWM輸出、多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的可編程GPIO、3個(gè)帶有6種模式的通用目的定時(shí)器、3個(gè)可配置死區(qū)的比較器、3個(gè)單端比較單元、4個(gè)捕捉單元。同時(shí)還集成有多種串行接口[1]。
系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖l所示，用帶有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的。TMS320F2812作為核心，數(shù)據(jù)傳輸采用USB接口。該系統(tǒng)具有電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、采集處理速度快、數(shù)據(jù)傳輸快等優(yōu)點(diǎn)。

3　數(shù)據(jù)采集
光學(xué)標(biāo)記閱讀機(jī)是一種光學(xué)標(biāo)記信息數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集速度和精度是兩個(gè)非常重要的方面。本系統(tǒng)采集模塊采用TMS320F2812內(nèi)部A/D模塊，此模塊是一個(gè)12位、具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙采樣保持器(S/H)，可多路選擇16通道輸入，快速轉(zhuǎn)換時(shí)間運(yùn)行在25 MHz或12.5 MHz。輸入電壓范圍0 V～3 V，單次轉(zhuǎn)換時(shí)間200 ns，流水線轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)換時(shí)間60ns,ADC模塊有兩個(gè)獨(dú)立的排序器，可以工作在雙排序器模式和級(jí)聯(lián)排序模式[2]．可以提供很高的采集速度。
TMS320F2812內(nèi)部ADC存在增益誤差和失調(diào)誤差，需要進(jìn)行校正，否則會(huì)影響信號(hào)精度，其轉(zhuǎn)換方程可以表示為y=x×ma±b,式中ma為實(shí)際增益．b為失調(diào)誤差。通過對(duì)TMS320F2812的ADC信號(hào)采集進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)ADC增益誤差一般在5％以內(nèi)，可以采用以下方法對(duì)其進(jìn)行校正：選用ADC的任意兩個(gè)通道作為參考輸入通道，并分別提供給它們已知直流參考電壓作為輸入(兩個(gè)電壓不能相同)，通過讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)換值，利用兩組輸入輸出值求得ADC模塊的校正增益和校正失調(diào)，然后利用這兩個(gè)值對(duì)其他通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高ADC模塊轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度。具體計(jì)算過程如下：

① 獲取已知輸入?yún)⒖茧妷盒盘?hào)的轉(zhuǎn)換值yL和yH。
② 利用方程y=x×ma+b及已知的參考值(xL，yL)和(xH，yH)計(jì)算實(shí)際增益及失調(diào)誤差：實(shí)際增益ma=(yH-yL)/(xH-XL)；失調(diào)誤差b=yL-xL×ma。
③ 定義輸入x=y×CalGain-CalOffset，則由方程y=x×ma+b得校正增益CalGain=1/ma=(xH-xL)/(yH-yL)，校正失調(diào)CalOffset=b/ma=yL/ma-xl。
④ 將所求的校正增益及校正失調(diào)應(yīng)用于其他測(cè)量通道，對(duì)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行校正。

TMS320F2812 ADC轉(zhuǎn)換模塊通道間的增益及失調(diào)誤差均在0.2％以內(nèi)．所以可以采用上述方法對(duì)其進(jìn)行校正[3]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明校正后ADC的誤差被控制在0.5％以內(nèi)，大大提高了采集精度。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)輸入為40路，DSP本身的ADC輸入通道是16路，所以要外接多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行擴(kuò)展。在電路設(shè)計(jì)中，采用5條DSP ADC輸入通道ADCINAO～ADCINA4，每一通道掛接一片8路輸入1路輸出多路模擬轉(zhuǎn)換器4051。擴(kuò)展為40路模擬信號(hào)輸入。圖2是TMS320F2812的ADC與信號(hào)之間的接口。
4數(shù)據(jù)通訊
光標(biāo)閱讀機(jī)是一種快速設(shè)備，一秒鐘可識(shí)別幾張信息卡，與PC之間需要進(jìn)行快速數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用USB通訊方式，采用一款性價(jià)比很高的USB器件PDIUSBDl2，它通常用在微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器之間的高速通信，完全符合USBl.1規(guī)范。PDIUSBD12與TMS320F2812都工作在3 V電壓下，它們之間通過并口連接，給PDIUSBD12分配一個(gè)片選，TMS320F2812可以通過讀寫地址對(duì)其進(jìn)行操作，PDIUSBDl2的并口接口速率是2 MHz．相對(duì)于TMS320F2812來說屬于低速設(shè)備，需要在軟件中進(jìn)行設(shè)置，插入等待周期。圖3是TMS320F2812與PDILISBI)12的硬件連接圖。

5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
本系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用1298雙路驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，為了提高其驅(qū)動(dòng)能力，采用雙路結(jié)合的辦法驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分與DSP之間不能直接進(jìn)行電氣連接，否則電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)嚴(yán)重干擾DSP，它們之間需要用光電耦合器進(jìn)行隔離。圖4是TMS320F2812與電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間的接口連接圖。

6固件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)固件設(shè)計(jì)主要由初始化程序、USB固件程序、A/D采集控制、數(shù)據(jù)采集處理以及電機(jī)控制部分組成。
初始化程序主要對(duì)片上資源進(jìn)行配置，如CLOCK、ADC、EVI/O、Flash等的配置；USB固件程序主要由硬件提取層、PDIUSBDl2命令接口、中斷服務(wù)程序、標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序、廠商請(qǐng)求處理程序等部分組成，主要實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議處理與數(shù)據(jù)傳輸；A/D采集控制程序處理信號(hào)的采集速度、精度、結(jié)果等：數(shù)據(jù)采集處理程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別等處理；電機(jī)控制程序控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和饋紙等。
7結(jié)束語
本文介紹了一種基于TMS320F2812的光標(biāo)閱讀機(jī)的設(shè)計(jì)方法。分析了該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中需要解決的一些技術(shù)問題和難點(diǎn)，并對(duì)系統(tǒng)各部分功能的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行詳細(xì)分析和介紹，本系統(tǒng)完成后可實(shí)現(xiàn)以下功能：40路高速數(shù)據(jù)采集；USBl.1接口；多個(gè)信息卡可連續(xù)采集等，具有良好的應(yīng)用前景。