（控制理论与控制工程专业论文）基于TMS320F2812的数据采集及数字滤波.pdf

基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数据采集及数字滤波摘要随着信息科学的迅猛发展，数据采集与处理是计算机应用的一门关键技术，主要研究信息数据的采集、存储和处理。而数字信号处理器( d s p ) 芯片的出现为实现数字信号处理算法提供了可能。数字信号处理器( d s p ) 以其特有的硬件体系结构和指令体系成为快速精确实现数字信号处理的首选工具。d s p 芯片采用了哈佛结构，以其强大的数据处理功能在通信和信号处理等领域得到了广泛应用，并成为研究的热点。本文主要研究基于t l 的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数据采集和数字滤波器的实现。首先介绍了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的结构和特点以及数据采集系统的硬件设计及软件编程，并详细分析了本系统的数据采集和滤波器的实现方法。本系统数据采集部分主要是通过片上自带的1 2 位a d c 实现对一路信号的数据采集，然后将采集后的数据暂存在片内存储器中，进行滤波和f f t 后，将数据传输到计算机，计算机以文件的形式保存采样数据。文中给出了a d 转化采样率的设置方法、整个a d 程序流程、a d 转换工程的主要c 语言程序和c m d 文件的配置，并分析了产生采样误差的原因，提出了提高采样精度的方法。滤波器设计部分采用了两种设计方法，一种是传统的将m a t l a b 计算出的系数加入到建好的c c s 滤波器工程中，另一种是用m a t l a b 与c c s 联合开发，用m a t l a b 自动生成c c s 滤波器工程。文中详细介绍了利用m a t l a b 设计f i r 滤波器以及如何用m a t l a b中的滤波器设计工具f d a t o o l 设计滤波器。通过m a t l a b s l m u l i n k 环境中图形化的方式建立数字信号处理的模型进行d s p 的设计和仿真验证，将设计的图形文件m d l 直接转换成c 语言程序在c c s 中运行。第二种方法利用m a t l a b 软件开发产品加速了开发周期，比直接在c c s 中编程方便快捷了很多。关键词：d s p ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，数据采集，f i rd a t aa c q u i s i t i o na n dd i g i t a lf i l t e rd e s i g nb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns c i e n c e ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gb e c o m eai m p o r t a n tt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra p p l i c a t i o n ，m a i n l ys t u d yt h ec o l l e c t i o n ，s t o r a g ea n dp r o c e s s i n go fi n f o r m a t i o nd a t a t h ea p p e a r a n c eo fd s pc h i pm a k e st h ea r i t h m e t i co fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc o m et r u e d s pb e c o m e st h ep r e f e r r e du t i l i t yf o rr e a l i z i n gd i g i t a la r i t h m e t i cr a p i d l ya n dp r e c i s e l yr e l y i n go ni t sp a r t i c u l a rh a r d w a r ea n di n s t r u c t i o na r c h i t e c t u r e t h es t r u c t u r eo ft h ed s pc h i pi sh a r v a r dd s pa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n si nt h ei n f o r m a t i o nf i e l d ，d u et oi t sp o w e r f u ls i g n a lp r o c e s s i n ga b i l i t y ，b e c o m i n gah o t s p o ti nc o m m u n i c a t i o na n do t h e rc o r r e l a t i v es i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yt h er e a l i z a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n dd i g i t a lf i l t e r ，w h i c hi sb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft ic o m p a n y f i r s ti n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h er e a l i z a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na n dd i g i t a lf i l t e r i n gi nt h es y s t e ma r ea n a l y z e di n d e t a i l i nt h ed a t aa c q u i s i t i o np a r t ，w eu s et h e1 2 - b i ta d co ft h ec h i pt oc o l l e c td a t a t h ea c q u i s i t e dd a t ai ss t o r a g e di nt h ec h i p sm e m o r yt e m p o r a r i l y ，t h e ni ti sf i l t e r e da n dt r a n s l a t e dw i t hf f r t h ep r o c e s s e dd a t ai st r a n s m i t t e dt op c t h e nt h ep cw i l ls t o r a g et h ea c q u i s i t e dd a t ai nd o c u m e n tf o r m i nt h i sp a p e r ，w eg i v et h ew a yo fs e t t i n ga ds a m p l i n gr a t e 、t h ew h o l ea dp r o g r a mp r o c e s sa n dt h em e t h o do fc o n f i g u r i n g c m dd o c u m e n t w ea l s oa n a l y s ea n dd i s c u s st h ec a u s eo fa c q u i s i t i o ne r r o r ，a n dg i v et h ew a yt oi m p r o v es a m p l i n gp r e c i s i o n i nt h ep a r to fd i g i t a lf i l t e rd e s i g n ，w ea d o p tt w od e s i g nw a y s ，t h eo n ei st r a d i t i o n a lw h i c ha d dc o e f f i c i e n t sf r o mm a t l a bt ot h ec c sp r o j e c to ff i l t e rw h i c hh a sb e e nb u i l t ，t h eo t h e ro n eu s e sb o t hm a t l a ba n dc c st oc r e a t et h ep r o j e c to ff i l t e ra u t o m a t i c a l l y w ed e t a i l e d l yi n t r o d u c es o m ew a y so fd e s i g n i n gf i rf i l t e rw i t hm a t l a ba n dt h ew a yo fu s i n gf d a t o o lt od e s i g nv a r i o u sf i l t e r s t h eg r a p hw a yw h i c he s t a b l i s h e sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gm o d e lt or e s l i z ed s pd e s i g na n ds i m u l a t i o nc o n f i r m a t i o nt h r o u g ht h em a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h e nt r a n s f o r mt h eg r a p h i cf i l e m d lt ot h ecl a n g u a g ep r o g r a mr u n n i n gi nc c sd i r e c t l yi sa l s og i v e n w eu s ed e s i g nt o o lo fm a t l a bt os h o r t e nt h ec y c l eo ft h ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，w h i c hi sm u c hm o r ec o n v e n i e n c et h a np r o g r a m m i n gi nc c sd i r e c t l y k e y w o r d s ：d s p ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，d a t aa c q u i s i t i o n ，f i r原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：盍塑绉日期：边：生：翌关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。签名：盗堕逝日期：导师签名：壶壅警堡日期：矽孑牛谚如妒一培中北大学学位沦文1 1 课题研究的目的及意义1 绪论工业部门有着许多各种各样的机器和设备，这些设备的不断完善化、复杂化和自动化，一方面大大促进了生产的发展主要表现在提高了生产效率和改善了工人劳动条件，同时也节约了能源和精简了人员。新的生产设备虽然大幅度地提高了劳动生产率，节省了人力和物力，但同时也大幅度地增加了设备的维修费用，设备故障单位时间造成的损失也成倍地增加【1 l 。测量信号和动态数据的采集与处理，是设备故障诊断的前提和基础。它们代表了系统的状态和特征。通过各种被测量数据的拾取、记录和分析，是进行系统状态监测和故障诊断的主要途径i2 1 。本课题的目的是为工业设备状态监测与分析系统提供前端数据采集处理部分的设计。数据采集处理技术在微机控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将各种测量参数，按要求的方式送入微机【3 1 。d s p 是数字信号高速实时处理的专用处理器，处理速度比单片机还快1 0 5 0 倍，并在处理器结构、指令系统、指令流程上做了很大的改动。业内人士预言，d s p 将是未来电子产品更新换代的决定因素4 1 。数字滤波在数字信号处理中占有重要的地位，数字滤波器容易实现不同的幅度和相位频率特性指标，克服与模拟滤波器器件性能相关的电压漂移、温度漂移和噪声问题。用d s p 芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精确度高、不受环境影响外，还具有灵活性好的特点。用可编程d s p 芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性f 5 1 。与传统的通过硬件电路实现的数据采集处理系统相比，本课题对数据采集处理系统的设计有几大优点：( 1 ) 设计的数据采集处理系统实现方案的成本低。( 2 ) 简化了硬件电路的设计，提高了硬件电路的集成度和可靠性。( 3 ) 数字滤波器对干扰信号的抑制能力有了明显提高，这对系统的控制精度和稳定性中北大学学位论文的提高起到了促进作用。数字滤波器的参数调节比起模拟滤波器来更加方便、灵活。1 2 国内外相关领域的研究进展1 2 1 数据采集系统的发展与国内外现状数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性f 6 j 。大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场。此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类：一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强1 2 1 1 。2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统【7 】。数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统【8 1 。最初的数据采集技术由国外厂商推出，采用8 位单片机为核心，随着微电子技术的不断发展，新的单片机不断问世，十六位、三十二位单片机的也为数据采集器生产厂家所采用1 9 1 。近几年，采用具有d s p 功能的数据采集器也已投入市场。伴随着高性能单片机的采用和用户技术要求的不断提高，数据采集处理的功能也越来越完善1 1 0 l 。2中北大学学位论文国内的数据采集多采用i n t e l5 1 系列或i n t e l9 6 系列c p u ，是国内数据采集器在许多方面有难以克服的缺点1 1 1 1 。与国外同类产品相比，国内数据采集性能指标有较大的差距，这主要表现在以下几个方面：运算能力差，速度慢，精度低；存储容量小，受c p u 本身特性的限制，对存储容量的增加缺乏有效的手段1 1 2 1 ；分辨率低，细化功能差，这主要受采样频率、分析点数等的限制，同时影响了数据采集器的分析精度【1 3 】。1 2 2 滤波器的发展与国内外现状1 9 1 7 年美国和德国科学家分别发明了l c 滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。2 0 世纪5 0 年代无源滤波器日趋成熟。自6 0 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、稳定可靠和廉价方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为7 0 年代以后的主攻方向。导致r c 有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移等各种滤波器的飞速发展，到7 0 年代后期，上述几种滤波器的单片已被研制出来并得到应用。8 0 年代，致力于各种新型滤波器应用于各类产品的开发研究f 1 4 1 。我国广泛使用滤波器是5 0 年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用1 1 5 1 。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了1 1 6 1 。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波在上一个世纪中，电滤波器的发展经历了从无源到有源和从模拟到数字两个过程。高精度无源滤波器从设计到制造都是难度非常高的技术。有源滤波器虽然很大地改进了滤波器的性能，也降低了一些制造工艺的难度，但从其性能的大幅度改进，与其它信号处理技术的结合，实现的手段之便捷，还是要数数字滤波器后来居上。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向3中北大学学位论文发展1 1 - 1 。基于以上原因，各科研单位及数据采集技术正积极改进，如采用高性能的嵌入式芯片，或带有数字信号处理功能的芯片等。1 3 本文的主要工作本课题是基于t i 公司的3 2 位定点t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片、与之相对应的c 2 0 0 0c c s集成开发平台和功能强大的m a t l a b 软件以及s e e d ( 合众达) 公司的开发板s e e d d e c 2 8 1 2 完成数据采集、采集数据的滤波和系统的设计。本文的主要工作如下：1 讨论了课题研究的目的及意义，对国内外相关领域的研究进展进行了讨论。对数据采集与处理及滤波器的发展进行了介绍。2 对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的性能特点及主要功能模块进行了概述及开发环境c c s简要介绍。设计了数据采集系统的硬件部分，并对构成采集系统的硬件部分进行了介绍。3 给出d 的时钟设置、程序流程、c m d 文件的配置方法以及a ，d 工程中的主要程序和c m d 文件的具体配置并介绍了a d 转换的工作原理、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的模数转换模块部分。4 用两种方法完成一个f i r 低通滤波器的设计。一种是传统的将m a t l a b 计算系数加入到c c s 滤波器工程中，另一种是用m a t l a b 与c o s 联合丌发，用m a t l a b 自动生成c c s 滤波器工程。这两种设计滤波器的方法具有通用性，可根据论文中给出的过程设计出适合实际情况需要的滤波器。国内信号采集处理技术的发展现状，使得加快基于d s p 的信号采集处理成为当前国内状态监测与故障诊断领域的一个重要课题。本课题所提出的解决方案成本低，利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上自带的d 转换器进行数据采集，同传统a d 相比，嵌入式a d 具有如下的特点：在a ，d 模块的硬件资源配置好了之后，用户可以用软件指令随时启动d 采样，并获得d 转换的结果。同传统a d 不同的是，采集功能单元的硬件资源配置还有一部分是通过软件完成的。用m a t l a b 和可编程d s p 芯片实现的数字滤波，可通过修改滤波器的参数十分方便的改变滤波器的特性，并且实现了滤波集成化。4中北大学学f 口论文2 基于f 2 8 1 2 数据采集系统的硬件实现2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器概述简介2 1 1t m s 3 2 0 n 8 1 2 处理器概述设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择d s p 芯片时应考虑到如下诸多因素。1 、d s p 芯片的运算速度。运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：指令周期：即执行一条指令所需的时间，通常以a s ( 纳秒) 为单位。m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一个指令周期内完成一次乘法和加法操作。f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。m i p s ：即每秒执行百万条指令。2 、片内硬件资源：片内硬件资源主要包括片内r a m 、r o m 的数量，i o 接口的种类和个数，总线驱动能力，外部可扩展的程序和数据空间等。3 、d s p 芯片的开发工具。在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果有功能强大的丌发工具的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。4 、d s p 芯片的价格。d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需考虑的一个重要因素。如果采用价格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是民用产品。因此根据实际系统的应用情况，需确定一个价格适中的d s p 芯片。目前市场上的主要d s p 生产商包括t i ，a d i ，m o t o r o l a ，l u c e n t 和z i l o g 等，其中t i 占有最大市场份额。产品包括了从低端低速的d s p 到高端的大运算量的d s p 产品。所以很多d s p 系统设计者都采用t i 的产品l l s i 。s中北大学学位论文目前，t l 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 的- i 打产品主要为以下三类：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ，t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 及t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 产品价格较低，主要应用于控制领域，如电机控制、工业自动化控制等。t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的d s p 产品的突出特点则是低功耗高性能，主要应用于有线和无线通信、i p 、便携式信息系统等。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 产品属于t i 公司的高端产品，主要应用于为网络系统、m o d e m 、交换机、数字音频及图像处理设备等1 1 9 1 。本文采用的是t i 新近推出的功能强大的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。2 1 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 特点介绍t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t l 公司最近推出c 2 x x x 系列的新产品，是目前国际市场上较为先进、功能强大的3 2 位定点d s p 芯片1 2 0 l 。它具有数据信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于大批量数据处理的测控场合。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2不仅具有以前c 2 x x x 系列的特点，而且还增加了一些特性，其主要性能特点如下：1 、高性能静态c m o s 技术工作频率1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ；低功耗( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ) ；f l a s h 编程电压3 3 v 。2 、片内存储器1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器：1 k 1 6 位的o t p r o m ；4 k 1 6 位的b o o tr o m ；加和l 1 两块4 k x1 6 位的单周期访问r a m ( s a r a m ) ；h o ：一块8 k x1 6 位的单周期访问r a m ( s a r a m ) ；m 0 和m 1 ：两块1 k x1 6 位的单周期快速访问r a m ( s a r a mo3 、外部存储器接口( 仅t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有)有多达1 m 字的存储空间；可编稃等待周期；6中北大学学位论文可编程读写选择时序；三个独立的片选信号。4 、时钟与系统控制支持动念改变锁相坏的倍频系数；片内自带振荡器；看门狗定时器模块；外部中断扩h 垦( v i e ) 模块可支持4 5 个外设中断；3 个3 2 位的c p u 定时器；两个事件管理器( e v a , e v b ) 。5 、1 2 位的a d 模数转换模块2 8 通道的输入多路选择器，两个采样保持电路；流水线最快转换周期为6 0 n s ，单通道最快转换周期为2 0 0 n s 。6 、高达有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出g p i o 引脚。7 、通信端口多通道缓冲串行接口m c b s p ；增强型c a n 总线通信接口；异步串行通信接口s c i ；高速同步串行通信接口s p i 。2 1 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能及其特点t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 d s p 平台整合了高性能的d s p 内核、内部f l a s h 存储器、高精确度模拟外设、数字控制及通信外设等。为用户提供了单芯片实现高性能控制的解决方案，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主要功能模块如下1 2 2 1 。1 、f l a s h 内存c 2 0 0 0 产品的内部f l a s h 存储器大小为8 1 2 8 k b 。用户可以应用内部f l a s h 存储器固化应用软件以及产品的升级换代。c 2 0 0 0d s p 提供分区( s e c t o r ) 的f l a s h 内存，允许改写每个分区，而不清掉整个f l a s h 内存；此外c 2 0 0 0d s p 采用密码保护程序代码，以保护用户的程序。7中北火学学位论文2 、事件管理器( e v e n tm a n a g e r )定时器( t i m e r ) l i , 较器r ( c o m p a r e ) 模块减少了c p u 完成事件定时( e v e n tt i m i n g ) 、采样循环( s a m p l i n gl o o p ) ) 及p w m 生成等任务的丌销。可编程死区设置。捕捉单元和j 下交编码电路能够同检测元件直接接口。p d p 中断为系统提供无条件保护。3 、模拟数字转换器( a dc o n v e r t e r )1 0 位模拟数字转换器( c 2 4 x ) 和1 2 位模拟数字转换器( c 2 8 x ) 。l f 2 4 0 x a 最快转换时间为5 0 0 n s ，f 2 8 1 2 最快转换时间为8 0 n s 。外部模拟数字转换及事件( e v ) 触发的模拟转换不需占用额外c p u 时间。具有双缓冲的结果寄存器，减少中断到取得转换结果所需要的时间。1 6 个模拟输入通道。转换自动排序器可增加通道数目，而不需c p u 介入。4 、c a n 模块完整的c a n 控制器，符合c a n 2 0 b 规范。发送、接受标准帧( 1 1 位标志符) 及扩展帧( 2 9 位标志符) 。c 2 4 x 有1 6 个信箱，f 2 8 1 0 、f 2 8 1 2 有3 2 个信箱。0 8 位可编程数据长度。提供接收信箱、发送信箱及可配置的发送接收信箱( 信箱o 及1 ) 。c 2 8 x 系列提供低耗电模式，定时邮递( t i m es t a m p i n g ) 功能。数字回路自测试模式。可编程通信速率。可编程中断控制。5 、串行通信接e l ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，s c i u a r t )异步通信格式( n r z ) 。可编程波特率。数据长度1 8 位可编程。可编程停止位长度1 或2 位。错误检测：极性错误、过载错误、帧错误、中止错误等。r中北大学学位论文两种唤醒模式：线空闲唤醒及地址位唤醒。半双工或全双工操作。c 2 4 x 具有双缓冲器的接收及发送功能；而c 2 8 x 有1 6 层的接收及发送缓冲器。独立的接收发送中断。独立的接收发送中断使能位。6 、串行外围接1 2 1 ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，s p i )1 1 6 位可编程数据长度( f c 2 4 0 为1 8 位) 。同步的发送接收帧。主从操作模式。支持多处理器通信。s p i 时钟极性控制。7 、c 2 8 x 的多信道缓冲串行端1 3 ( m c b s p )全双工通信。双缓冲发送，三缓冲接收，允许连续的数据流。支持1 2 8 个通道的发送及接收。独立的发送时钟。多通道选择模式使能每个通道的块传输。2 2 软件集成开发环境c c s 简介c c s 2 2 3 1 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i ov e r s i o n 2 0 ) 代码调试器是一种针对标准t m s 3 2 0 调试接口的集成开发环境i d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ，由t i 公司在1 9 9 9 年推出。c c s 目前有c c s l 1 、c c s l 2 、c c s 2 0 和c c s 2 2 等几个版本，有c c s 2 0 0 0 ( 针对c 2 x x ) 、c c s 5 0 0 0 ( 针对c 5 4 x x 、c 5 5 x x ) 和c c s 6 0 0 0 ( 针对c 6 x ) 等几个不同的型号。各个不同的版本和型号之问的差别并不大。图2 1c c s 2 的开发流程9中北大学学位论文c c s 2 包含源代码编辑工具、代码调试工具、可执ij ：代码生成工具和实时分析工具，并支持设计和丌发的整个流程 2 4 1 ，如图2 1 所示。c c s 2 除了包含h l l 调试器的主要特性外，还包括下列特性：1 、完全集成的开发环境。c c s 2 将t i 公司的编辑器、编译器、链接器和调试器等都集成到它的开发环境中，用户可以从菜单栏中选择t i 公司的各种工具，并且可以直接观察到流水线输出到窗口的编译结果。同时，出错信息加亮显示，只要双击出错信息便可以打开源文件，关标停留在出错的地方。在w i n d o w s 环境中，用户可以很方便地同时编辑、调试和编译源程序。代码编译器可以跟踪一个项目中的所有文件及其相关内容。用户可以选择编译单个的文件，或者将所有文件包括在一个项目中，或者逐步建立项目。在编辑器、编译器、链接器和调试器选项中有方便的对话框。2 、高度集成的源代码编辑器。能动态提示c 语言和d s p 汇编语言源代码，能很容易地阅读和理解源代码，及时发现和定位语法错误。c c s 2 是一个完全集成的包含t i 编译器的开发环境。c c s 2 目标管理系统、内建编辑器和所有的调试分析能力都集成在w i n d o w s 环境中。3 、支持编辑和调试的后台编辑。用户在编译和调试程序时，不必退出系统而回到d o s 系统中，c c s 2 会自动将这些工具交互式地装载到它的环境中。在代码调试窗口中，只要双击错误，就可以直接显示源代码的出错处。4 、对c 语言源文件和d s p 汇编语言文件的目标管理【2 5 l 。编辑器能跟踪所有文件及其相关内容。这样，编译器只对最近一次编译中改变过的文件进行编译，节省了编译时间。c c s 2 在w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 中支持多线程处理，并行管理调试器( p d m ) ，允许将命令传播给所有的或所选择的处理器。5 、文件探针在算法中通过文件提取或加入信号和数据。c c s 2 允许用户从p c 机中的文件直接读取或写入信号流，而不是实时地读取输入信号。这样，用户可以使用己有的文件来仿真算法。6 、可以在后台执行d o s 程序。可以执行后台d o s 命令，并将其输出通过流水线的方式输出，允许用户将应用集成到c c s 2 。7 、图形分析功能。具有强大的图形分析功能。8 、方便的代数分解窗口。可以选择查看c 语言格式的代数表达式，以便容易读懂1 0中北大学学位论文操作代码。9 、有在任何算法点观察信号的图形窗口探针。图形显示窗口使用户能够观察时域或者频域内的信号。对于频域图，f 丌在p c 机上执行，以便观察所感兴趣的部分而不需要改变它的d s p 代码。图形显示也可以同探针相连接，当前显示窗口被更新探针被确定；当代码执行到这一点时，可以迅速地观察到信号。1 0 、有状态观察窗口。c c s 2 的可视窗口允许用户直接进入c 表达式及相关变量结构、数组和指针等都能很简单地进行增加和减少，以便进入复杂结构。另外，在t i 公司最新推出的支持t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的c c s 2 2 2 版本中，新增了f l a s h烧写插件( f 2 8 x xo n - c h i pf l a s hp r o g r a m m e r ) ，这完全支持了d s p 内部f l a s h 的烧写，方便可靠，简单易行，同时也使d s p 系统脱机运行的关键的一步b o o t l o o d e r 的实现变的极为简单，这也是t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 相对于其他系列d s p 的一个显著优点 2 6 1 。2 3 数据采集系统的硬件实现2 3 1 电源管理部分为了降低芯片功耗，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用双电源供电的方式，其中一路电源电压为+ 3 3 v ，为g p i o ，f l a s h ，r o m 和a d c 提供工作电压，另一路电源为+ 1 8 v ( 或+ 1 9 v ) ，为c p u 内核提供能源。电源方案一：采用双路输出电源芯片t p s 7 5 7 3 3 1 5 1 i 。该方案的优点是用一个芯片就可以解决两个输出电源的问题，缺点是电源干扰大，容易出现耦合；因此输出电压的精准度不佳。电源方案二：两路电源分开设计，即单独设计+ 3 3 v 电源和+ 1 8 v ( + 1 9 v ) 电源电路，该方案的优点是两路电源可以分开调试，互不干扰，并能提供较大功率。缺点是电路复杂。由于d s p 芯片对输入电压有极高的要求，因此本设计采用第二种方案。电路如图2 2 和图2 3 。中北大学学位论文t p s 7 6 8 0 1+ 5 v 百i np g 面一p g 0l严u f：2 5 0 k+ 1 9 v_ i no u t 。? 3 伽t11 8 k 丁1 0 u f而2 ；丽f b n c 乏一l 一鲤j3 0 k1 l 一一t p s 7 5 7 3 3图2 25 v 转1 9 v 电路图图2 35 v 转3 3 v 电路图2 3 2 时钟电路设计时钟电路有两种方案可选择，一种是使用外部时钟源，即有源晶振。有源晶振的特点是不需要芯片内部振荡器，加上额定的电压就能输出规则的方波，缺点是输出波形只能是固定的两个电压值：低电平为0 ，高电平为输入电压，另外器件成本高。有源晶振适用于对输入波形要求高的电路，以及没有内部振荡电路的控制器。另一种是使用d s p内部的振荡驱动电路，外接一个晶体和两个电容。其特点是使用芯片内部振荡电路，输出的波形为正弦波，波形幅度由控制器决定，不存在电压匹配的问题。但应注意，两个电容应选择晶体生产厂家推荐的容量值，且电容器误差小。如果振荡频率较高，还要加上起振电阻。由于f 2 8 1 2 的时钟输入脚只能承受1 8 v 或1 9 v 的输入电压，而1 8 1 9 v 的有源晶振市场上较少，故本设计中采用第二种方案，用3 0 m h z 外部晶体给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 提供时钟。电路如图2 4 所示。x i x c l k i nx 2图2 4时钟电路1 2中北大学学位论文2 3 3 看门狗电路设计看门狗电路采用t i 公司的专用复位芯片t p s 3 8 2 3 3 3 。该芯片具有上电复位、手动复位和电源监控三项功能。看门狗电路在实际应用中也是必不可少的。由于实际使用环境并非如实验室一样的好，常常有很多干扰因数使得程序跑飞。从软件上的解决办法是加入软件陷阱，使程序能跳回程序开始。硬件上解决问题的办法一个是设计p c b 时注意电路的抗干扰性，另一个是在硬件电路上加入看门狗电路。这里如果软件在1 6 秒内没有复位一下w d i 端口，那就认为程序已经跑飞了，由看门狗电路产生复位脉冲，使程序复位，从起始地址开始执行程序。电路图如图2 5 。该电路的开关k 1 是一个手动复位按键，当按下该键，可使d s p 复位一次。2 3 4 系统r a m 的外扩t p s 3 8 2 3 3 3- 3 3 vv d dr e s e t5l3m r 明) ik 1g n d1 2图2 5 看门狗电路f 2 8 1 2 内部己经集成了1 8 k - 字节的r a m ，对于一般的应用来说，这部分r a m 己经够用了，不需要再扩展外部r a m 。因为这部分r a m 能以1 5 0 m i p s 的速度进行访问，所以该1 8 k 字节的r a m 是非常宝贵的。在对运算速度要求很高的处理程序中，通常将经常访问的程序段读入内部r a m 再运行，这样能大大提高运行速度。f 2 8 1 2 内部集成了1 2 8 k 字节的f l a s h 程序存储器，但f l a s h 的烧写次数总是有限的，并且烧写的速度慢，操作麻烦，在开发阶段常将应用程序通过仿真器存放在r a m 中运行，在这种情况下，扩展外部r a m 来存放程序代码和数据是非常必要的。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的外部存储器接口包括：1 9 位地址线、1 6 位数据线、3 个片选线及读写控制线。这3 个片选线映射剑5 个外部存储区域，z o n e o 、1 、2 、6 和7 。其中，1 3中北大学学位论文z o n e o 和1 共用1 个片选线x z c s o a n d l ，z o n e 6 和7 共用1 个片选线x z c s 6 a n d 7 。f 2 8 1 2有1 0 5 6 k 1 6 b i t 的外部存储器直接接口能力，各个f n j 对应的地址范围如下：z o n e 0 存储区域( o x 0 0 2 0 0 0 一- - 0 x 0 0 3 f f f , 8 k x1 6 b i t ) 、z o n e l 存储区域( 0 x 0 0 4 0 0 0 0 x 0 0 5 f f f , 8 k x1 6 b i t ) 、z o n e 2 存储区域( 0 x 0 8 0 0 0 0 - - - 0 x 0 f f f f f , 5 1 2 k 1 6 b i t ) 、z o n e 6 存储区域( o x l 0 0 0 1 0 0 0 ) 【1 7 f f ff ，5 1 2 k 1 6 b i t ) 、z o n e 7 存储区域( 0 x 3 f c 0 0 0 - - 0 x 3 f f f f f , 1 6 k x1 6 b i t )毙夏耍蕊而研x 、v ex r d61 74 14 079图2 6r a m 扩展电路图本设计外扩的存储器芯片选用了i s s i 公司的i s 6 1 l v 5 1 2 1 6 t 2 7 i ，存储容量为5 1 2 k 1 6 b i t ，3 3v 的供电电压，访问速度有8 n s ，1 0 n s ，1 2 n s 可选择。当c p u 运行在1 5 0 m h z的时候，地址和数据的最小有效时间为3 个时钟周期，即约为2 0 n s ，所以该存储器接口不用考虑时序设计的问题。接口电路见图2 6 。存储器地址范围为o x l o o 0 0 0 0 x 1 7 f f f f ，当要写入数据时：w e 、o e 、c e 都为低电平时，i o 口数据写入a 0 a 1 8 所指地址空间内。当要读出数据时：o e 、c e 为低电平，w e 为高电平，a 0 a 1 8 所指地址空间数据写入i o 口。在系统仿真调试时可以分配为程序空间、数据空间。调试完成后因为程序需要烧写入f 2 8 1 2 自带的f l a s h 空f h j ( 0 x 3 d 8 0 0 0 0 x 3 f 7 f f f f ) ，所以扩展的存储器空问可以完全分配给数据空间。1 4咖一叭一堇|一咖一附一晰一晰一晰一吣一咖一啪一叫一眦一吣附一吣啪吼詈；邸阱瞄研瞄聊舢肌三|眦肼|耋加触舵鸺斛筋舳觚似触枷舭鹏舶m心疆i|；|孺丽皿中北大学学位论文2 3 5 显示接口在f 2 8 1 2 数字信号处理器一i ：提供了多个通用目的数字量i o 引脚1 2 s l ，这些引脚绝大部分是多功能复用引脚，本系统就是利用数字量加模式来数据采集的显示。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 共有5 6 个g p i o ，分为a ，b ，d ，e ，f ，g 五部分，每个g p i o 口通过功能控制、方向、数据、设置、清除和反转触发寄存器来控制。数据显示功能主要利用了g p i