基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的DSP控制回路設(shè)計(jì)

　1 引 言

　　隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)得到了廣泛的應(yīng)用，基于A／D，DSP，D／A的數(shù)據(jù)采集模式已經(jīng)被大多數(shù)人所接受。在現(xiàn)代生物信號(hào)采集方案中，人們不僅要求系統(tǒng)有高速的數(shù)據(jù)處理能力，而且還要求其有高速的數(shù)據(jù)處理能力和高精度、多通道的D／A轉(zhuǎn)換能力。

　　本文的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)生物信號(hào)傳感器的控制系統(tǒng)。在一些信號(hào)采集回路中，某些傳感器的最佳工作電壓隨著環(huán)境的變化而變化，這就要求系統(tǒng)在正式采集有效信號(hào)前將傳感器調(diào)到最佳工作電壓。這時(shí)系統(tǒng)不僅要求高速的數(shù)字信號(hào)處理能力，而且要求對(duì)前端多路傳感器的適時(shí)控制，于是選擇由C5416和5633所組成的生物信號(hào)采集控制系統(tǒng)。以下重點(diǎn)分析SPI口的配置以及DSP通過SPI對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇a實(shí)現(xiàn)。

　　2 芯片介紹

　　C5416屬于TI公司TMS320C54X系列DSP芯片，是一種低功耗、高性能的定點(diǎn)DSP芯片。它的主要特點(diǎn)有：運(yùn)算速度快，可達(dá)160 MIPS。優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)：內(nèi)部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元(ALU)、2個(gè)40位的累加器、2個(gè)40位的加法器、1個(gè)乘法器和1個(gè)40位的桶型移位器、有4條內(nèi)部總線和2個(gè)地址發(fā)生器。多總線結(jié)構(gòu)：包括3條獨(dú)立的16位數(shù)據(jù)總線和1條23位的地址總線。低功耗方式：TMS320C5416DSP可以在3.3 V，1.6 V的低電壓下工作，3種低功耗方式(IDLE1，IDLE2和IDLE3)可以節(jié)省DSP功耗。智能外設(shè)：包括軟件可編程等待狀態(tài)寄存器、可編程PLL時(shí)鐘發(fā)生器、1個(gè)16位的計(jì)數(shù)器、6個(gè)DMA控制器、3個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP0-2)和與外部處理器通信的HPI(Host Post Interface)接口。

       美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的一種32通道高精度采樣保持D／A轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)含1個(gè)16位DAC、1個(gè)帶內(nèi)部時(shí)鐘的時(shí)序控制器、1個(gè)片內(nèi)RAM以及32路采樣保持放大器。其中DAC電路由2部分組成。在16位DAC中，高4位可通過15個(gè)同值電阻組成的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，其余位的轉(zhuǎn)換則由1個(gè)12位R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)來完成。其32路帶緩沖的采樣保持電路通過內(nèi)部保持電容來使輸出壓降維持在每秒1 mV的范圍內(nèi)，且不需要配置外部增益和偏置電路。能提供最大200μV的分辨率和0.015％FSR的高精度轉(zhuǎn)換，其輸出電壓范圍為-4.5～9.2 V。其理論輸出電壓由參考電壓、增益以及輸入的編碼共同決定：

　　其中：code是5633輸入的16位二進(jìn)制代碼；VREF是MAX 5633的輸入?yún)⒖茧妷?；VGS是地的敏感輸入電壓，通常直接接地。具有工作溫度范圍寬以及串行接口靈活等特點(diǎn)，適用于處理大量模擬數(shù)據(jù)輸出的場(chǎng)合。

　　3 系統(tǒng)工作模式

　　MAX 5633的轉(zhuǎn)換過程是先從串行數(shù)據(jù)端DIN送進(jìn)要轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)D15～D0(高位在前，低位在后)，然后送進(jìn)5位地址A4～A0(用這5位地址編碼來選擇輸出的通道號(hào))。地址的后2位是控制字C1和C0，其中C1為1是立即更新模式，為0則為觸發(fā)模式；C0為1表示選擇外部時(shí)鐘序列，為0則選擇內(nèi)部時(shí)鐘序列。C1，C0之后應(yīng)補(bǔ)1位0。當(dāng)片選CS變低后，系統(tǒng)將在每一個(gè)時(shí)鐘的上升沿送進(jìn)一位數(shù)據(jù)。送完最后一位數(shù)據(jù)(即第24個(gè)數(shù)據(jù)后)后片選CS變高。而當(dāng)CS為高電平時(shí)，任何輸入數(shù)據(jù)都無效。

　　MAX 5633有3種工作方式分別為順序模模式、立即更新模式和碎發(fā)模式。其中順序模式為默認(rèn)工作模式。通過設(shè)定C1=1將MAX 5633配置成立即更新模式。立即更新模式用于更新單個(gè)SRAM的內(nèi)容，同時(shí)更新相應(yīng)的采樣保持放大器輸出。在這種模式下，所選擇的通道輸出會(huì)在順序操作恢復(fù)前更新。用戶可以通過設(shè)置IMMED或使C1為高電平選擇立即更新模式。當(dāng)片選CS為低電平時(shí)，原訪問順序被打斷。輸入字被存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)于被選擇通道的SRAM中。此時(shí)DAC轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的采樣保持對(duì)輸入串口完全透明。相應(yīng)的輸出通道將得到立即更新。更新后，時(shí)序?qū)⒒氐皆瓉碇袛嗟腟RAM地址重新開始順序更新。立即更新操作需要占用2個(gè)時(shí)序周期，其中一個(gè)周期用來使時(shí)序控制器繼續(xù)完成正在進(jìn)行的操作，另一個(gè)用來進(jìn)行新數(shù)據(jù)的更新。[!--empirenews.page--]

　　MAX 5633的輸入口為SPI接口，要實(shí)現(xiàn)與DSP通信，需將C5416的MCBSP0口配置成SPI口。MCBSP在結(jié)構(gòu)上可分為1個(gè)數(shù)據(jù)通道和1個(gè)控制通道。表1給出了有關(guān)引腳的信號(hào)定義。DX引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送，DR引腳負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，另外4個(gè)引腳提供控制信號(hào)(時(shí)鐘和幀同步)。C5416通過片內(nèi)的外設(shè)總線訪問串口的控制寄存器實(shí)現(xiàn)與MCBSP的通信和控制。

　　數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。CPU和DMA控制器向數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(DXR)中寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)接收寄存器(DRR)讀取接收到的數(shù)據(jù)。寫入DXR的數(shù)據(jù)通過發(fā)送移位寄存器(XSR)移位輸出至DX引腳。同樣，DR引腳上接收到的數(shù)據(jù)先移位進(jìn)入接收轉(zhuǎn)換寄存器(RSR)中，然后被復(fù)制到接收緩沖寄存器(RBR)，RBR再將數(shù)據(jù)復(fù)制到DRR中，最后等待CPU和DMA控制器讀取數(shù)據(jù)。這種多級(jí)緩沖方式使得片內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移和外部數(shù)據(jù)的通信可以同時(shí)進(jìn)行。

　　4 硬件連接電路

　　MAX 5633與C5416的硬件連接如圖1所示。片選CS可控制MAX 5633是否被選中。CS為低后，所有的轉(zhuǎn)換開始有效。DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，SCLK為外部時(shí)鐘輸入。CLKSEL為時(shí)鐘選擇端，當(dāng)C0或者該腳為高電平時(shí)，系統(tǒng)選擇外部時(shí)鐘模式，此時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘模式將被關(guān)閉。所給出的硬件連接圖為外部時(shí)鐘模式。ECLK為外部時(shí)鐘模式控制引腳，可用于控制外部時(shí)鐘。RST為輸入復(fù)位端。DSP的BCLK0口與D／A的SCLK相連作為MAX 5633的外部時(shí)鐘，DSP的BDX0口與D／A的DIN相連作為MAX 5633的數(shù)據(jù)輸入，DSP的BFSX0口與D／A的／CS相連作為MAX 5633芯片選擇端。由于MAX 5633輸入?yún)⒖茧妷狠^多，為了盡量減小電壓的波紋對(duì)其精度的影響，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行濾波。

　　5 軟件程序設(shè)計(jì)

　　下面是針對(duì)硬件連接電路給出相應(yīng)的C語(yǔ)言程序。該程序?qū)CBSP0配置成時(shí)鐘停止模式(SPI)的主模式。其中SPI的時(shí)鐘設(shè)置成1 MHz，幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為24位(如圖2所示)。幀的24位中C0，C2為控制方式選擇位；A0～A4為通道選擇位，可以選擇0～31共32個(gè)通道；D0～D15為需要傳輸?shù)?6位數(shù)據(jù)。

[!--empirenews.page--]

 

　　由于SPI每次傳8位數(shù)據(jù)，故傳輸16位數(shù)據(jù)需要傳3次，先傳控制字，再傳數(shù)據(jù)的低8位，最后傳數(shù)據(jù)的高8位。系統(tǒng)可以通過改變tempchan選擇需要傳輸?shù)耐ǖ?。下面是傳?6位數(shù)據(jù)的代碼

　　系統(tǒng)在while(1)循環(huán)過程中，等待MCBSP0口的發(fā)送中斷，再將剩下的2個(gè)字節(jié)發(fā)送出去。

　　6 結(jié) 語(yǔ)

　　本文所介紹的方案已經(jīng)取得了預(yù)期的效果，D／A的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mb／s，并且還可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行提高。該方案已經(jīng)成功地運(yùn)用于系統(tǒng)中，使傳感器穩(wěn)定在它的最佳工作電壓處工作。該系統(tǒng)中DSP對(duì)D／A的控制傳輸無論從精度上還是速度上均完全能夠滿足系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)所采用的模式以其高精度、多通道等特點(diǎn)將對(duì)以后的傳感器工作電壓隨環(huán)境變化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，并對(duì)其他形式的信號(hào)采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有借鑒作用。