参考基于dsp（数字信号处理器）的数据采集卡

华侨大学机电及自动化学院本科毕业设计(论文) 毕 业 论 文 （科 学 研 究 报 告）题 目基于DSP的数据采集卡硬件设计院(系)别机电及自动化学院专 业测控技术与仪器级 别2009 学 号 姓 名 指导老师 教授 华 侨 大 学 教 务 处 2013年6月1 摘 要随着工业生产过程的机械化、精密化，对于加工环境的监测就显然成为了减少或者杜绝设备故障以提高可靠性和安全性的重要手段。加工环境的监测大都是以上位机的检测系统为基础，所以首先要进行数据采集。加工环境检测系统设计上一般采用模块化结构，针对精密加工时对加工参数和加工过程进行监控，需要实现对多种传感器信号的实时采集，与多种不同接口的子系统进行数据交互等。其中，数据采集卡主要实现了针对信息数据的采集、存储和处理。而当前市面上可供选择的数据采集卡并不能满足多种数据源或者用户的多样性需求，所以，本设计所要研制的数据采集卡需要同时高速采集8个通道的数据，而且需要所有通道的数据保持同步。同时，数据采集的分辨率需要大于18位，采集速率大于100K/S。针对这些要求，本论文设计了一个基于数字信号处理器DSP的高精度数据采集系统。该系统由软硬件子系统分别构成。本论文主要介绍硬件设计中的各个模块。以TMS320F2809作为板载CPU，实现了数据的高速实时传输与处理，相比较采用MCS-51系列单片机作为处理器，DSP具有指令执行速度快、总线带宽高和对于算法的独到的处理优势。对于数据采集，首先是对输入信号的采样，利用对共模噪声有较好的抑制能力的差分形式的放大调理电路，对输入信号进行前期的放大和调理。8路信号经采样后送模数转换器进行编码和量化，随后，模数转换器与DSP芯片通过SPI口进行数据通信，数据到达DSP后，由软件控制，实现通过RS232数据总线(串行通信接口SCI)进行数据传输，以及通过CAN口总线实现数据的通信，与其他子系统进行数据交互。该设计中，差分信号输入电路一共有8路，达到设计要求，所用模数转换器具有8通道同步采样能力，而且其分辨率理论值达到了24位，完全符合设计标准，采集速率更是达到了128K/S。本论文在确定硬件系统设计框图后，定下所用元器件，对每个模块进行分别设计，运用软件Cadence中OrCAD Capture CIS组件进行电路原理图的设计。设计完成后，运用PCB Editor组件进行PCB板的设计，最终完成整块集成电路板卡的设计，最后交由工厂打样后进行自行焊接贴片元件等细节。PCB板完成后，与软件设计者完成硬件调试工作，并且改正设计过程中的错误，提出改进方案。关键词：DSP，数据采集，模数转换ABSTRACTWith the mechanize and precise of the industrial process, the monitoring of the processing environment has apparently become an important means to reduce or eliminate equipment failures in order to improve the reliability and security. Processing environment monitoring is largely based on the detection system in the host computer, so we should do data collection firstly. The design of processing environment detection system generally uses the modular structure. It monitors processing parameters and the processing in precision machining. It needs to acquire real-time data from a variety of sensor signals and exchange data with a variety of Subsystems which has different interfaces. Among them, the data acquisition card works on the data collection, storage and processing. However, the data acquisition cards which are available in the market lastly do not meet the needs of the diversity of multiple data sources or users. The data acquisition card in this design is meant to acquire 8 channel high-speed data at the same time. The data rate of the resolution should be greater than 18 and the sampling rate should be greater than 100K/s. In response to these requirements, the thesis has designd a precision data acquisition system based on digital signal processor (DSP). The system consists of hardware and software subsystems constituting. This thesis mainly introduces the various modules in the hardware design. With the TMS320F2809 as the on-board CPU, high-speed real-time data transmission and processing becomes true. Compared with the boards which use MCS-51 series single-chip as the processor, DSP has the advantages in high speed instruction execution, high bus bandwidth and unique algorithm. For data acquisition, the first step is the sampling of the input signal. We should use the differential form of an enlarged conditioning circuit which has a better ability to inhibit common mode noise. After sampling, the 8-channel signal should be sent to analog-to-digital converter for encoding and quantization. Then, the analog-to-digital converter and DSP communicate data through the SPI port. After the data arrives DSP, the data is transferred to other Subsystem via the RS232 bus (serial communication interface SCI) and the CAN interface bus. The differential signal input circuit is a total of 8 which meets the design requirements. The analog-to-digital converter has 8-channel simultaneous sampling capability at the same time; the theoretical value of resolution is up to 24 bits and the sampling rate is 128K/s, which totally meets the design requirements.After determining the diagram of the hardware system design, author chooses the components need to use and design each module separately. I design the circuit diagram with the software named OrCAD Capture CIS which is a part of Cadence. After that, the other part of Cadence whose name is PCB Editor is used to do the design of PCB layout. Finally, I complete the entire integrated circuit chip design. At last, I hand it over to the factory for proofing and then weld chip components by myself. After the completion of the PCB board, I do hardware debugging with software designers. During the period of time, we correct errors in the design process and propose improvement program. Keywords：DSP Data Acquisition Analog-to-digital conversion目 录 第一章 绪论11.1 DSP的发展历程和数据采集基本理论11.2数据采集卡在工业控制中的应用21.3本论文的主要工作和现实意义2第二章 基于TMS320F2809的数据采集卡的硬件设计42.1 硬件设计总体方案42.2 CPU的选型42.2.1 基于MCU、ARM或FPGA的数据采集卡的局限性42.2.2 基于DSP处理器的数据采集卡的优越性42.2.3 TMS320F2809的硬件特征52.3高性能硬件设计开发软件Cadence62.4硬件设计流程72.4.1设计流程说明72.4.2板级电路设计流程82.4.3 PCB设计流程82.5数据采集卡所用元器件及各模块设计介绍82.5.1差分信号输入模块82.5.2模数转换ADC模块102.5.3数据传输CAN模块122.5.4数据传输RS232模块132.5.5 DSP芯片电源抗干扰模块132.5.6 DSP芯片复位电路模块142.5.7调试与测试JTAG口模块152.5.8插卡连接器GOLDHAND模块152.6 PCB设计162.6.1焊盘与元器件封装制作162.6.2 PCB建立与设计规则设置172.6.3元器件布局覆铜与布线172.7 PCB后期设计172.8光绘文件详细介绍172.9硬件设计内容小结20第三章 基于TMS320F2809的数据采集卡的硬件调试213.1 DSP开发软件介绍CCS 3.3213.1.2 软件介绍213.1.2 软件使用213.2 硬件调试设备介绍与调试过程分析213.3 根据调试结果分析并改进硬件和软件233.4 调试最终结果记录23第四章 总结与改进244.1 本论文(设计)的主要工作总结244.2 本论文(设计)的不足和发展方向24第五章 结束语25致谢参考文献附录第一章 绪论1.1 DSP的发展历程和数据采集基本理论 要追溯DSP技术的起源，就不得不谈到1978年诞生的著名玩具产品Speak&Spell。这个在当时来看富有创意的小玩意儿迅速成为美国历史上著名的拼写玩具。这项当初并不是公司正式产品计划的设计工作采用的单芯片语音合成器正是TI的首款DSP。在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理论和算法基础。而DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽然功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观。下面就是数据采集基本理论的一些概述：数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包括对连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。数据采集系统的一般组成框图如图1.1所示。图1.1数据采集系统的一般组成框图其中，前置放大器、滤波电路、主放大器及相关电路通常称为信号调理电路。信号调理电路主要是将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化模拟信号进行放大、滤波、调理等处理，以尽量减小干扰信号的影响，将微弱的信号放大或衰减到后续A/D转换器的工作范围内。采样，保持后，A/D转换器件将进行量化，编码两个步骤。信号经过A/D转换器后将数据送到处理器做后续处理，这样就完成了对数据的采集。1.2数据采集卡在工业控制中的应用 伴随着现代工业技术的迅速发展，生产的高速化，自动化以及生产规模不断进步与壮大，现代工业已经形成了一个具有相互依赖性的整体，所以，一旦出现个别工序或设备的故障，将会对整个生产线造成影响，对与机器设备或者环境物理量的监测与诊断。这种监测与诊断的技术大都需要PC机作为上位机对所监测到的量进行分析与判断，而直接进行物理量采集的就是数据采集卡了，所以，数据采集卡是整个系统的基础。数据采集卡通过采集传感器所得到的电信号，对与数字信号，可以直接发送给上位机，而对于模拟信号，可以经过模拟数字转换器后发送给上位机。上位机对信号进行分析，进而采取进一步的措施。1.3 本论文的现实意义和主要工作 本论文对于工业加工环境的数据采集领域的研究状况，有以下几点意义：国内的数据采集系统运用DSP器件作为主要的数字信号处理运算单元的比较少，大多采用的是价格低廉的MCU或者ARM，他们相对于具有专业的数据处理能力的DSP来说都显得力不从心。本论文中采用的是TI公司的TMS320F2809作为板载数字信号处理芯片，相比其他大众化的系统，系统的效率和实时性能有了极大的提高。本论文中采用的硬件设计软件Cadence，在PCB设计领域可以说是旗舰级产品，其功能强大，囊括了完整的PCB设计流程，包括电路图输入，PCB编辑及布线，PCB板级系统电源完整性及信号完整性分析，PCB设计制造分析以及PCB的制造输出。在本设计中运用该软件，高速、有效的完成了电路原理图的设计、PCB板Layout设计和实际板卡输出。本论文中采用的DSP开发软件，是TI公司自身设计开发出的针对不同CPU的软件驱动开发平台。其良好的兼容性，易用性，人机交互性和软、硬件烧录的仿真调试功能，弥补了以往费时费力的系统整体调试的不足之处。本论文(设计)主要完成了下面的工作：以TI公司的数字信号处理器TMS320F2809作为板载CPU，采用8通道差分输入输出形式的运算放大器作为前端数据采集口，采用独立的24位精度模数转换器，利用板载CPU的自身的eCAN和RS232总线接口，最终实现了数据的采集，编码，量化，发送与接收。硬件设计方面，本论文利用世界排名前列的著名EDA设计软件Cadence中的OrCAD Capture CIS绘制出硬件板卡的电路原理图，运用PCB Editor组件完成PCB板的布局布线等一系列制版工作。硬件调试方面，本论文用TI公司提供的DSP开发软件CCS3.3编制数据采集卡的软件驱动程序，利用硬件仿真JTAG接口烧录并进行硬件调试，测试结果表明，所设计的硬件板卡已完全达到预期的要求。第二章 基于TMS320F2809的数据采集卡的硬件设计2.1硬件方案总体设计本系统的硬件系统设计简介如下：以TI公司DSP芯片TMS320F2809作为系统核心，通过数据采集模块，AD转换模块对数据进行采集，编码和量化，通过CAN口和RS232对所采集数据进行硬件调试时的检测，电源通过金手指插槽将电源卡提供的电源进行输入，JTAG口用于硬件调试时的程序烧写。硬件系统总体设计方案如图2.1所示。图2.1 硬件系统总体设计2.2 CPU的选型2.2.1基于MCU、ARM或FPGA的数据采集卡的局限性 MCU采用的是冯诺依曼结构，数据空间和存储空间共用一个存储器空间，通过一组总线（地址总线和数据总线）连接到CPU，很显然，在运算处理能力上远不如DSP；ARM是Advanced RISC(精简指令集)Machines的缩写，是面向低预算市场的RISC微处理器，ARM具有比较强的的事务管理功能，适合用来跑界面，操作系统等，其优势主要体现在控制方面，而DSP的优势是其强大的数据处理能力和较高的运行速度，多数用与数据处理。FPGA是Field Programmable Gate Array(现场可编程门阵列)的缩写，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路中集成度最高的一种。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统可靠性。而且它的硬件功能可以像软件一样通过编程来修改，灵活性强，不过，其价格过于昂贵。2.2.2基于DSP处理器的数据采集卡的优越性本设计中采用DSP芯片作为主芯片来说是毫无疑问的，考虑到DSP的强大的数据能力，运算速度以及片内容量等，用于数据采集和处理是再合适不过 ，而且其现在的市场价格也是易于接受的。选用DSP芯片作为板卡主芯片具有很高的性价比。2.2.3 TMS320F2809的硬件特征 本论文采用TI公司的TMS320C2000系列高性能32位定点DSP TMS320F2809。TMS320F2809系统组成包括：时钟电路、3.3V电源电压电路、CPU、片内存储器、中断管理模块、片内集成外围设备。TMS320F2809是专门为控制应用而设计的，处理速度快，且片内含有丰富的硬件资源，大大减少外围设备，简化了系统，为使用者带来了巨大的方便。TMS320F2809共有100个引脚，采用BGA封装。其功能框图如图2.2。TMS320F2809的主要性能和片内硬件资源如下：1、采用高性能静态COMS技术，指令周期为10ns（100HZ），最低内核供电电压为1.8V，I/O口供电电压为3.3V。2、高性能32位中央处理器CPU。可实现16位16位、32位32位的乘和累加操作，16位16位的两个乘加单元（MAC）；哈佛总线结构；强大的操作能力，快速的中断处理机制，统一的内存存储模式，支持原子操作，高的代码效率（兼容C/C+或汇编语言）；与其他C2000处理器兼容。3、片上存储器：Flash存储器高达128KB16。ROM存储器高达2KB16，1KB16的OPT ROM，L0、L1两个4KB16的SARAM，H0一个8KB16的SARAM，M0、M1两个1KB16的SARAM。4、4KB16的引导只读存储器（Boot ROM）：具有软件引导模式和标准的数学库。通过SCI、 SPI、CAN、I2C和并行I/O实现。5、串行端口外设，有4个SPI模块、2个SCI（UART）模块和2个CAN模块、和1个I2C总线。6、3个32位的CPU定时器。3个外部中断。外围设备中断扩展（PIE)块支持所有43种外围中断。7、加强的控制外围设备，16个PWM输出、6个HRPWM输出、4个捕获输入、2个正交编码器接口和6个32位、6个16位定时器。8、内置16通道12位的ADC：有2个8通道输入多路转换器、2个采样保持电路，可以实现单一或者同时进行转换。转换速率高达160 ns/6.25 MSPS。9、34个独立的可编程、多用途通用输入/输出（GPIO）引脚。10、支持JTAG边界扫描。11、开发工具：ANSIC/C+编译器/连接器；支持TMS320C24/240x指令；DSP/BIOS；代码集成开发环境；JTAG扫描控制器；广泛的第三方数字电机控制支持。12、低功耗模式和节能模式：空闲，待机，省电模式支持；13、先进的仿真性能，分析和断点功能可通过硬件实时调试等。图2.2 TMS320F2809 功能框图本设计所选CPU为TMS320F2809，其与外部设备连线电路图请见附录1。2.3高性能硬件设计开发软件Cadence Candece新一代Allegro SPB16.5系统互连设计平台优化并加速了高性能、高密度的互连设计，建立了从IC制造、封装和PCB的一整套完整的设计流程。功能强大的布局，布线设计工具Allegro PCB是业界领先的PCB设计系统。Allegro PCB是一个交互的环境，用于建立和编辑复杂的多层PCB。Allegro PCB丰富的功能可以满足当今世界设计和制造的需求。Cadence Allegro系统互连平台能够跨集成电路、封装和PCB系统设计高性能互连。应用Cadence Allegro平台的协同设计方法，工程师可以迅速优化I/O缓冲器之间，或者跨集成电路、封装和PCB的系统互连，从而避免硬件设计返工，并降低硬件成本和缩短设计周期。约束驱动的Allegro流程可以用于设计捕捉、信号完整性和物理实现。由于它还得到Cadence Encounter与Virtuoso平台的支持，Allegro协同设计方法使得高效的设计链协同成为现实。Cadence公司的Allegro SPB 16.5软件针对PCB板级的电路系统设计流程包括原理图的输入，数字、模拟及混合电路仿真，FPGA可编程逻辑器件设计，自动布局、布线，及生产制造数据输出，以及针对高速PCB的信号完整性分析与电源完整性分析等提供了完整的输入、分析、版图编辑和制造的全线EDA辅助设计工具。2.4 硬件设计流程 2.4.1设计流程说明 整个PCB的设计流程可分为以下三个步骤。第一步开始PCB设计之前的准备工作。1) 原理图设计。设计者根据设计要求用OrCAD Capture CIS软件绘制电路原理图。2) 创建网络表。对绘制好的原理图进行DRC（电器规则检查），经检查无误后，生成可以送往Allegro的网络表。网络表包含3个部分：pstxnet.dat、pstxprt.dat和pstchip.dat。3) 建立元器件封装库。在创建网络表前，每个元器件都必须有封装。由于实际元器件的封装是多种多样的，如果元器件的封装库中没有所需的封装，就必须自己动手创建元器件封装，并将其存放在指定目录下。4) 创建机械设计图。设置PCB外框及高度限制等相关信息，产生新的机械图文件（Mechanical Drawing），并存储到指定目录下。第二步整个PCB设计中最重要的部分。1) 读取原理图的网络表。将创建好的网络表导入Allegro软件，取得元器件的相关取得元器件的相关信息。2) 摆放机械图和元器件。首先摆放创建好的机械图，其次摆放比较重要的或较大的元器件(如I/O端口器件，集成电路)，最后摆放小型的元器件(如电阻、电容等)。3) 设置PCB的层面。对于多层的PCB，需要添加PCB的层面，如添加VCC, GND层等。4) 进行布线(手工布线和自动布线)。手工布线可以考虑到整个PCB的布局，使布线最优化，但缺点是布线时间较长; 自动布线可以使布线速度加快，但会使用较多的导通孔。有时自动布线的路径不一定是最佳的，故经常需要把这两种方法结合起来使用。5) 放置测试点。放置测试点的目的是检查该PCB能否正常工作。第三步该部分是PCB设计中最后的工作。1) 文字面处理。为了使绘制的电路图清晰易懂，需要对整个电路图的元器件序号进行重新排列，并使用回注(Back Annotation)命令，使修改的元器件序号在原理图中也得到更新。2) 底片处理。设计者必须设定每一张底片是由哪些设计层面组合而成的，再将底片的内容输出至文件，然后再将这些文件送至PCB生产车间制作PCB。3) 报表处理。产生该PCB的相关报表，以便给后续的工厂工作人员提供必要的信息。常用的报表有元器件报表(Bill of Material Report )、元器件坐标报表(Component Location Report）、信号线接点报表( Net List Report )、测试点报表(Testpin Report)等。2.4.2 板级电路设计流程如图2.3，为板级电路设计的流程图，从逻辑设计到印制电路板设计，最后是设计输出。2.4.3 PCB设计流程作为板级设计中最重要的一块，印制电路板设计，即PCB设计流程如图2.4板级电路Layout设计流程所示。2.5数据采集卡各模块设计介绍2.5.1差分信号输入模块图2.3 板级电路设计流程图作为模数转换的前期信号调理电路，模数转换ADC模块包括了8路以差分形式接收输入信号的电路。差分放大器THS4521虽然比单端输入信号系统要复杂，但差分信号系统的优点是明显的。第一，差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源对差分信号对的每一端影响都是相同的。因为由电压差来决定信号，两边的干扰相抵，信号便不会有大幅的变化。第二，差分信号有利于识别微小信号。在差分信号系统中，基准点是由使用者来确定的，可以选择两输入端的平均信号作为基准点，这就减小了信号的摆动范围。第三，单端输入系统的信号要依靠虚地，而差分信号就不需要这样一个虚地，增加了双极型信号的保真度和稳定性。第四，差分信号的时序定位精确。差分信号受工艺和环境温度的影响小，可降低时序上的误差。所以，选择差分放大器来驱动模数转换器。其中一路的差分输入输出电路原理如图2.5。 图2.4 板级电路Layout设计流程图 图2.5 差分放大信号调理电路THS4521是一款超低功耗、全差分运算放大器，具有轨至轨输出和一个包括负电源轨的输入共模范围。THS4521具有准确的输出共模抑制能力，可在驱动模数转换器时实现DC耦合，这种控制能力与一个低于负电源轨的输入共模范围以及轨至轨输出相结合，可以在单端接地参考信号源之间实现简易型连接。下面介绍差分放大器THS4521的主要性能特点：l 全差分架构 l 带宽：145 MHz l 转换速率：490 V/s l HD2: 133dBc，在10kHz (1 VRMS, RL = 1 k)l HD3: 140dBc，在10kHz(1 VRMS, RL = 1 k)l 输入电压噪声：4.6nV/Hz(f = 100 kHz) l 负轨输入l 轨至轨输出l 输出共模控制（具有低失调及低漂移） l 电源： 电压：2.5 V (1.25 V) 至 5.5V (2.75V) 电流：每通道 1.4 mA l 断电能力：20 A（典型值） 2.5.2模数转换ADC模块数据采集卡，顾名思义，就是对外界所需要的数据信息进行采集的板卡。而对于所采集到的模拟信号量，就必须对其进行模拟数字转换。在选择A/D转换器件之前，首先要明确几个A/D转换器的指标概念:(1)转换时间:A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间。转换时间与A/D原理密切相关，双积分型ADC转换速度较慢，而逐次渐进型ADC比较快。(2)转换精度:通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。分辨率以输出二进制数或十进制数的位数来表示，它表明A/D转换器对输入信号的分辨能力。从理论上讲，n位二进制数字输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同等级大小，能区分输入电压的最小差异为满量程的1/2n。转换误差通常以输出的误差最大值的形式给出，它表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。下面就是对ADC一些主要的模块的分别介绍：模块一：包含模数转换器ADS1278的模数转换主模块。模数转换ADC模块主要包含了1个模数转换器件ADS1278.模数转换电路如图2.6。下面介绍模数转换器件ADS1278的主要性能特点：l 8通道同步采样l 最高128kSPS的采样速率l 交流特性：70kHz的带宽，111dB SNR(高分辨率模式)，-108Db THDl 直流精度：0.8V/补偿漂移，1.3ppm/增益漂移l 线性相位数字滤波器l SPI或同步帧串行接口l 低采样孔隙误差l 调制器输出可选(旁路数字滤波器)l 模拟电源：5V，数字内核：1.8V，I/O供电：1.8到3.3V图2.6 模数转换主要原理图ADS1278是八通道24位模数转换器，其采样速率可达每秒144K(SPS)的（-）模数转换器(ADCs)，允许八通道同步采样。传统上，工业级的模数转换器使用具有大通带陡度的数字滤波器以提供较好的漂移特性。其结果是具有有限带宽并且适用于直流测量。高分辨率的模数转换器在音频应用中有着大的可用带宽，但偏移量和漂移显著小于同类工业产品。ADS1278结合了三种类型的转换器，非常好的适合直流与交流指标的高精度工业测量。模块二：为模数转换器件提供稳定参考电压的电压转换模块除开模数转换模块中主要器件ADS1278外，还有为模数转换模块提供稳定参考电压的模块，利用REF5025芯片作为模块主芯片，其电路图如图2.7。图2.7 稳定参考电压模块所选择的REF5025有如下特性：l 低温度漂移l 高精确度：l 低噪声：3VPP/Vl 高输出电流：10mAl 工作温度范围广：零下40摄氏度至125摄氏度2.5.3数据传输CAN模块CAN总线凭借高可靠性，良好的实时性在工业现场控制、航空航天、电力、通信等领域有着广泛的应用。而且，CAN总线有着很强的抗干扰能力。本设计中所用芯片为供电电压3.3V的CAN口数据收发芯片SN65HVD230QD。本模块的电路原理图见图2.8。图2.8 CAN总线接口电路图下面介绍该芯片一些主要的特点：l 3.3V的供电电压l 370微安(典型值)的低电流待机模式l 0.1微安(典型值)的低电流睡眠模式l 信号传输速率高达1Mbps在CAN口传输模块中，还使用了PSM712静电保护芯片，见图2.8。TVS保护管PSM712专门为非对称保护点的系统提供保护。主要保护设备免受静电放电，电压快速瞬变等带来的损害。其特点如下：l 耐压:-7+12Vl 低容值:75pFl 低钳位电压l 12A（8/20的）额定浪涌电流2.5.4数据传输RS232模块RS232模块作为数据通信的主要模块，在本设计中使用了2个RS232口进行数据通信，由于RS232接口标准的信号线电压逻辑为：逻辑“1”为-5-15V，逻辑“0”为+5+15V，而本设计所用DSP芯片TMS320F2809的SCI接口是CMOS电平，即“逻辑1：电平电压接近于电源电压(F2809为3.3V)，逻辑0：电平接近于0V”，所以，需要使用电平转换电路将CMOS电平转换为RS232的标准负逻辑电平。本设计所用电平转换芯片为MAXIM公司的MAX3224芯片，其3.3V的供电电压，相比于5V供电的芯片，其功耗较低。MAX3224包含了2个收发器，其数据传输速率为250Kbps，而且其配备了增强型自动关断功能。其电路原理图见图2.9。图2.9 串口通信RS232电路原理图2.5.5 DSP芯片电源抗干扰模块DSP芯片作为整个系统的核心存在，进行数据的收集、处理以及发送等工作。作为中央处理器，供电时的抗干扰设计是必不可少的，稳定供电设计已经作为完整的一个部分由其他设计者设计完成了，可以直接通过插卡连接器引入。DSP芯片与外围设备的连接详细信息请见附录1。供电时的抗干扰设计如图2.10。因为电容一般具有隔离直流信号，导通交流信号，所以，供电时在电源与地之间并联多个电容有助于滤除交流高次谐波。图2.10 电源抗干扰设计电路图2.5.6 DSP芯片上电复位电路模块上电复位电路设计如图2.11。图2.11 复位电路原理图TPS3306-18Q的两个输入电压（SENSE1和SENSE2）正是DSP系统的工作电压。由于系统在上电时电压可能存在不稳定的现象，对于此时的系统，必须对某些寄存器或者空间进行清空，即复位操作。该芯片详细参见下面的介绍。所用上电复位芯片TPS3306-18Q产生复位信号的真值表见表2.1。表2.1 TPS3306-18Q复位信号真值表SENSE1VIT1SENSE2VIT200L01L10L11H当SENSE1VIT1（3.3V）和SENSE2VIT2（1.8V）同时成立，即DSP工作电压不低于3.3V和1.8V时，不产生复位信号，系统正常工作。只要有一个电压低于标准值，将通过5号引脚产生复位信号，因此可以起到上电复位的功能。2.5.7 调试与测试专用JTAG口模块JTAG的全称是Joint Test Action Group，即联合测试行动小组。目前，JTAG已成为一种国际标准测试协议，主要用于各类芯片的内部测试。现在大多数高级器件（包括FPGA、MCU、DSP以及ARM等）都支持JTAG协议。标准的JTAG接口是4线接口：TMS、TCK、TDI以及TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出信号线。JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port，测试访问口端口），通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。对于目标板级的调试接口，所有的F28xx/F28xxx芯片都采用5个1149.11990IEEE标准协议和IEEE标准的测试接口和边界扫描结构的JTAG信号接口，以及TI两个扩展接口(EMU0和EMU1)。JTAG电路如图5.6所示。连接头需要的信号不止5个JTAG信号和两个TI扩展口，还需要测试时钟返回（TCK_RET），电源信号VCC以及地GND。TCK_RET是扫描控制器测试的时钟输出和目标系统的时钟输入。程序烧录接口JTAG口设计如图2.12。图2.12 程序烧录JTAG口2.5.8插卡连接器GOLDHAND模块本设计题为“加工环境监测系统”，所以，数据采集卡只是该系统中的一部分，与之配合工作的板卡有“电源卡”、“多功能接口卡”等，这些板卡通过插卡连接器来进行电力供应，信号传输等。与本数据采集卡所适配的插槽的原理图为图2.13。图2.13 插卡连接器电路原理图如图2.13所示，从上到下依次为CAN口共2路、串口RS232共2路、差分输入口共计8路的信号传输线，从71号开始就是各级电压和地信号线。2.6 PCB设计2.6.1焊盘与元器件封装制作利用PCB Editor组件进行PCB设计时，最首要的工作就是完成最微小的单元焊盘的制作，通过焊盘和其他的外框等完成每一个元器件的封装制作。焊盘的制作主要有以下几个类型的焊盘：表贴类焊盘、有钻孔的通孔焊盘、孔隙类通孔焊盘、Flash焊盘等。封装类型主要有：表贴类封装、BGA类型封装、SOIC类型封装、QFP类型封装、非电器引脚零件封装等。2.6.2 PCB建立与设计规则设置创建PCB首先是绘制电路板外框线，然后绘制允许布线区域，允许零件摆放区域，接着添加安装孔以及光学定位孔，在手工创建的电路板操作中必须手动设置层叠结构。这些设置完成后，可以将由电路原理图生成的网络表导入到PCB设计中。随后，就需要设置设计规则了，通过约束管理器将可以进行间距约束、物理约束以及相同网络间距设置。间距约束决定元器件、线段、引脚和其他的布线层保持多远的距离，物理约束决定使用多宽的线段和在布线中采用什么类型的贯穿孔，相同网络约束设置网络之间的约束规则。2.6.3元器件布局覆铜与布线元器件的布局是后面布线操作的基础，将会直接影响布线的效果。布局方式采用在自动布局的基础上的交互式布局方式。合理决定PCB尺寸，然后确定特殊元器件的位置，最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。对特殊元器件布局时，要遵守特殊元器件的布局位置原则。对全部元器件进行布局时，也要符合特定原则。布局完成后，要进行严格的检查。在PCB设计中，布线是整个设计最重要的步骤，前面所有的工作都是为它做准备。印制电路板(PCB)设计的好坏对整个系统抗干扰能力影响很大，因此，在进行布线时，必须符合抗干扰的设计要求，使得电路板能有最好的性能。2.7 PCB后期设计PCB后期设计主要是从元器件序号重新命名开始，然后回注到原理图中去，调整PCB设计中文字信息位置。然后，建立丝印层，孔位图，钻孔文件，建立Artwork文件，最后输出光绘文件。下面，列出了PCB板中各层的光绘图。由于本设计为6层板设计，所以，光绘文件共包含以下共13个文件(由于底层丝印层无丝印文字，故未列出)。2.8 光绘文件详细介绍光绘文件作为需要输送给印制电路板厂商的必须文件，其详细介绍如下：本设计为6层板设计，包括TOP层、POWER层、GND层、BOTTOM层、SIG1层和SIG2层。其光绘图一共包括14个需要出光绘的图形。图2.14为顶层光绘，图2.15为底层光绘。 图2.14 TOP层光绘图 图2.15 BOTTOM层光绘图电源层和接地层则如图2.16和图2