基于DSP的低功耗高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及新器件的不斷涌現(xiàn)，電子系統(tǒng)在手持設(shè)備、便攜醫(yī)療儀器以及野外測試儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用中，由于客觀條件的限制，通常采用電池或蓄電池為儀器設(shè)備提供電源。在這種情況下，如要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長時(shí)間工作，必然對儀器設(shè)備系統(tǒng)功耗的要求較高，因此低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在這些應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛重視。

1 TMS320VC5509簡介

TMS320VC5509（以下簡稱VC5509）是德州儀器（TI）公司針對低功耗應(yīng)用領(lǐng)域推出的一款低功耗高性能DSP，采用1.6V的核心電壓以及3.3V的外圍接口電壓，最低可支持0.9V的核心電壓以0.05mW/MIP的低功耗運(yùn)行。VC5509支持豐富的外設(shè)接口，最高支持144MHz的時(shí)鐘頻率，片內(nèi)具有雙乘累加器，每周期可執(zhí)行一條指令或兩條并行指令，具有高達(dá)288MIPS的處理能力。VC5509內(nèi)部存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，帶有128K字RAM，其中包括32K字雙存取RAM（DARAM）以及96K字單存取RAM（SARAM），另外還有64KB片內(nèi)只讀ROM，并可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)4MB的外部存儲(chǔ)空間擴(kuò)展，是一款具有較高性價(jià)比的低功耗DSP芯片。VC5509的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)四通道同步采樣，每通道采樣頻率為50kHz，系統(tǒng)供電為+5V，全速運(yùn)行時(shí)整體功耗低于250mW。針對這些技術(shù)指標(biāo)，本系統(tǒng)以低功耗DSP芯片TMS320VC5509為核心，采用串行EEPROM作為程序存儲(chǔ)器，選用四片微功耗12位ADC實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道模擬信號(hào)的同步采集。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）作為掉電保護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并設(shè)計(jì)一個(gè)異步串口實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通訊。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
在保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，本系統(tǒng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)：低功耗器件的選擇；高效率的電源設(shè)計(jì)；系統(tǒng)工作模式以及接口設(shè)計(jì)。

2．1 低功耗器件的選擇以及接口設(shè)計(jì)

模擬通道信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片之前，需要對信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)整。可以利用運(yùn)放構(gòu)成同相放大電路。這里使用的是TI公司的TLV2761。TLV2761是一款帶關(guān)斷功能的微功耗運(yùn)放，工作電流僅為20μA，關(guān)斷時(shí)電流可低至10nA，TLV2761采用CMOS軌對軌輸入輸出，是專為電池供電等低功耗系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用的是Analog Device的AD7854L。AD7854L是一款高速、低功耗的12位并行ADC，采樣頻率可以達(dá)到100ksps，采用3V～5V單電源供電，靜態(tài)工作電流最大為1.8mA，關(guān)斷模式下電流僅1μA。AD7854L支持單極性輸入及準(zhǔn)差分輸入，單極性輸入的精度略高于差分輸入。該芯片采用CMOS工藝，正常工作時(shí)典型功耗為5.4mW，關(guān)斷模式下功耗僅為3.6μW。

本系統(tǒng)利用外部譯碼器對四片A/D芯片進(jìn)行片選。A/D芯片正常工作時(shí)，需要系統(tǒng)提供一個(gè)工作時(shí)鐘輸入（CLKIN）以及一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入（/CONVST），對應(yīng)其轉(zhuǎn)換速率以及采樣速率。VC5409內(nèi)部具有兩個(gè)定時(shí)器，但只有一個(gè)定時(shí)器輸出，因此不適合利用。然而VC5509內(nèi)部具有三個(gè)同步串口，可對外輸出可編程串行時(shí)鐘信號(hào)（CLKX）以及幀同步信號(hào)（FSX），因此可直接利用一同步串口信號(hào)輸出作為A/D芯片所需要的時(shí)鐘信號(hào)輸入以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，這里使用的是同步串口1。ADC接口電路如圖3所示。

系統(tǒng)工作流程大致如下：系統(tǒng)上電之后，程序初始化部分對同步串口1進(jìn)行設(shè)置，使四片A/D芯片同時(shí)開始工作；利用其中一片A/D芯片的BUSY輸出信號(hào)觸發(fā)DSP的外部中斷0；設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；在主程序中對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理；在中斷服務(wù)程序中依次從并口讀入四片A/D芯片的數(shù)據(jù)。

VC5509內(nèi)部沒有FLASH，其程序加載需要外部存儲(chǔ)器。VC5509支持比較多的引導(dǎo)加載方式，這里采用的是SPI接口的EEPROM加載，如圖4所示。芯片選用的是ATMEL公司的SPI接口的低電壓串行EEPROM AT25256。AT25256主要適用于低功耗場合，內(nèi)部按照32k×8位組織，可以工作在3.3V電壓下，最大串行時(shí)鐘頻率為2.1MHz。支持64字節(jié)的頁寫方式以及字節(jié)寫方式。另外，AT25256還可以通過設(shè)置寫保護(hù)引腳/WP的電平來設(shè)置芯片的只讀或可寫狀態(tài)。

VC5509采用SPI接口EEPROM模式加載時(shí)，默認(rèn)同步串口0的信號(hào)引腳來模擬SPI接口，GPIO4作為EEPROM片選輸入。
VC5509具有128K字節(jié)內(nèi)RAM，為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份，外部擴(kuò)展了兩片鐵電存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如圖5所示。這里選用的是RAMTRON公司的FM18L08。鐵電存儲(chǔ)器具有非易失性存儲(chǔ)器的特征，同時(shí)具有類似RAM的讀寫操作（非常方便），近兩年應(yīng)用越來越廣泛。FM18L08內(nèi)部按照32K×8位組織，訪問周期為70ns，讀寫操作周期相同，易于使用。同時(shí)它也是一款支持低電壓工作的芯片，3.3V時(shí)典型工作電流為5mA，典型靜態(tài)電流為7μA。

2．2 高效率電源的設(shè)計(jì)

VC5509工作在雙電源電壓下，其核心電壓為1.6V，I/O電壓為3.3V。對雙電壓電源系統(tǒng)，常用的是有線性穩(wěn)壓電源以及開關(guān)穩(wěn)壓電源，根據(jù)兩者對電壓轉(zhuǎn)換的原理的不同，電壓的轉(zhuǎn)換效率也有很大區(qū)別。對于線性穩(wěn)壓電源，多用在較大的負(fù)載電流場合，其整體系統(tǒng)功耗分為兩部分，一部分為所有低功耗器件消耗，另一部分為線性穩(wěn)壓器件本身所消耗。以輸入5V直流電壓轉(zhuǎn)換到3.3V電壓為例，理論電壓轉(zhuǎn)換效率約為66%。假設(shè)系統(tǒng)電流為50mA，則整個(gè)系統(tǒng)功耗實(shí)際上為50×5=250mW，而并非50×3.3=165mW。而對于開關(guān)穩(wěn)壓器件，選用合適的器件，電壓轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到95%以上，電源器件本身消息功率可以極少，對相同的系統(tǒng)電流，整體系統(tǒng)功耗極大降低。因此，在低功耗小電流場合，選用開關(guān)穩(wěn)壓電源器件更為適合。

這里選用的是TI公司的TPS62000系列開關(guān)穩(wěn)壓器件TPS62000（可調(diào)輸出）和TPS62007（固定輸出3.3V）。TPS62000系列是專為低功耗CPU而設(shè)計(jì)的一系列電源器件，在輸出電流為10mA時(shí)，效率可達(dá)90%。同時(shí)，TPS62000系列工作在低功耗模式時(shí)，可根據(jù)負(fù)載電流的大小自動(dòng)在PWM和PFM模式之間切換，以節(jié)省功耗。在雙電源系統(tǒng)中，核心電壓必須先于I/O電壓上電，后于I/O電壓斷電，這里利用TPS62000的PG信號(hào)作為TPS62007的EN信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。

2．3 系統(tǒng)的工作模式及接口設(shè)計(jì)

由于VC5509不具備異步串口，因此利用并/串轉(zhuǎn)換芯片TL16C750將其并口擴(kuò)展為異步串口對外接口。

對整個(gè)系統(tǒng)而言，選擇工作在較低電壓下的低功耗芯片可以降低系統(tǒng)功耗；同時(shí)，設(shè)置適合的工作方式也可以降低系統(tǒng)功耗。對系統(tǒng)中大多數(shù)芯片而言，都帶有關(guān)斷控制或者自動(dòng)工作模式切換功能，因此不需人為干預(yù)，系統(tǒng)的功耗最終很大程度上落在DSP上。在不影響系統(tǒng)工作性能的前提下，適當(dāng)降低DSP工作主頻可以降低系統(tǒng)功耗。

利用以上方案搭建的VC5509低功耗高速采集系統(tǒng)，在保證達(dá)到50kHz對四通道數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集的要求下，適當(dāng)降低DSP工作主頻可以降低系統(tǒng)功耗，滿足實(shí)際要求，并且已經(jīng)得到驗(yàn)證。