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基于d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 摘要 数据采集与处理系统广泛应用在工业控制等领域。随着技术的进步， 越来越多的应用场合需要对数据进行实时采集、实时的复杂运算处理和 控制。本文提出的数据采集与处理系统正是针对这类问题而设计的。 本系统是个基于d s p 和单片机的双c p u 系统，d s p 采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，其主要负责数据高速采集和复杂运算处理；单片机采用 a t 8 9 c 5 l ，其主要负责输出控制信号和与外部设备的通信，同时借助于 c p l d 来管理人机接口设备；双c p u 之间借助于双口r a m 和c p l d 实现数据 通信。该系统具有多路模数转换输入、数模输出、开关量输入输出、p w m 输出接口，具有s c i 通信、s p i 通信、c a n 通信接口，具有键盘和l c d 人 机接口。它可应用于电力设备监控、大功率电机的监控和配电网馈线自 动化等领域。 关键词：数据采集，o s p ，单片机，双c p u 系统 d e s i g no fd a t a a c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd s pa n dm c u a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e m s a r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s s u c ha si n d u s t r yc o n t r 0 1 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , d a t an e e dt ob ea c q u i r e di nt e a lt i m e ，p r o c e s s e db ym e a n so fc o m p l i c a t e d a l g o r i t h m s ，a n dc o n t r o l l e di nr e a lt i m e b a s e do nt h i s ，ad a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mw h i c hd e s c r i b e di n t h i st h e s i si s d e v e l o p e di n o r d e rt o s o l v et h e s ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h i s s y s t e m i sb a s e do nt h ed u a l c p u s y s t e m o n ei s d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) w h i c h i sr e s p o n s i b l ef o rh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o n a n dd a t a p r o c e s s i n gb y t h e c o m p l i c a t e da l g o r i t h m s ，t h e o t h e ri s m c u ( a t 8 9 c 51 ) w h i c h i s r e s p o n s i b l e f o r g e n e r a t i n g c o n t r o l s i g n a l s a n d c o m m u n i c a t i n g w i t h p e r i p h e r a l s ，a n d a tt h es a m et i m e m a n a g i n g t h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e v i c e sr e c u rt oc p l d b e t w e e nt h et w oc p u s ，d a t a c o m m u n i c a t i o nc a r lb er e a l i z e dv i aad o u b l e p o r tr a ma n dac p l d t h i s s y s t e m h a s m u l t i p l e x i n g a d i n t e r f a c e ，m u l t i p l e x i n g d a i n t e r f a c e ， o n a n d - o f f i n p u t a n d o u t p u ti n t e r f a c e ，p w mo u t p u t i n t e r f a c e ，s c i c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，s p ic o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，c a nc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，a n da l s oh a sk e y b o a r d a n dl c di n t e r f a c e 。i tc a nb e a p p l i e d i nm a n y f i e l d ss u c ha st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t sa n d l a r g ep o w e r m o t o r s ，e l e c t r i cp o w e r d i s t r i b u t i o nf e e d e ra u t o m a t i o n ，e t c k e yw o r d s ：d a t a a c q u i s i t i o n ，d s p , m c u ，d u a l c p us y s t e m 声明 北京服装学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文不包古其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京服装学院或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中作了明 确地说明并表示谢意。 学位论文作者签名：赵相刁龙签字日期：2 0 0 5 年弓月d 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京服装学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权北京服 装学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 本人签名；匙和寻如 签字同期：2 0 0 5 年岁月向日 导师签名：签字日期：2 0 0 5 年月日 北京服城学院硕上学位论文 基十d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 第1 章引言 1 1 数据采集与处理系统的组成、分类和发展趋势 1 。1 1 数据采集与处理系统的基本概念 数据采集是获取信息的基本手段，数据处理就是对信息进行加工，数据采集与处 理技术作为信息科学的个重要分支，是与信号检测、计算机、数字信号处理等技术 结合而形成的一门综合应用技术。 现代工业控制、自动检测技术中的数据采集与处理是指将现场的电压、电流、压 力、流量、温度、角度等模拟信号和一些开关量信号进行采集，转变成数字量，再根 据不同的需要对这些数字量进行相应的计算和处理，得到所需的数据，然后将这些计 算结果反馈给用户或被控系统，达到监测和控制的目的。完成这个功能的系统就是数 据采集与处理系统”。 1 1 2 数据采集与处理系统的基本结构 一般来讲，一个典型的数据采集与处理系统应该具备如下三部分 1 数据采集部分 由采样保持器及模数转换器( a d c ) 、开关量信号调理器等组成。 2 处理器 微型计算机、单片机等。 3 数据输出部分 由数模转换器( d a c ) 、数字信号调理器等组成。 北京服装学院硕上学位论文 幕十d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 处理器 享硐_ 定时与逻辑控制k = 二= = i 数字通道l 气：l 卅芙量璜ul ： ，： 图l 典型的数据采集与处理系统结构图 对图1 可以从数字信号处理的观点来理解：模拟通道输入的模拟信号( 时问、幅值 均在连续范围内取值) 首先由采样器每隔t 秒读出一次数据，再e h a d c 转化为二进制数 码，即处理器可接受的数字信号输入处理器，或者数字通道输入的丌关信号经电压转 换直接送给处理器。处理器处理后，利用数模转换器d a c 将数字信号再转换为模拟信 号输出，或者直接将数字信号输出”1 。 1 1 3 数据采集与处理系统的种类及其特点”3 笔者参阅了一些资料，现将工业上使用的数据采集与处理系统大致分为以下五 种。 1 基于通用微型计算机( 比如p c 机) 的数据采集与处理系统 这种系统主要是由微机控制外部a d 转换器转换后的数字信号或开关量信号通过 打印机并口、串行口或其它接口送入微机内进行处理，然后将处理结果经过d a 转换 输出或直接显示在微机显示器。 这种系统可以利用微机系统强大的软件计算能力和丰富的硬件资源来支持系统 进行工作，同时也方便对系统进行二次开发。但系统的成本较高。 2 基于单片机的数据采集与处理系统 它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集与处理系统，是近几十年来单片 机技术快速发展的结果。 它的计算能力相对较弱，但价格很便宜。系统丌发时可根据应用的需求选择合适 的单片机，由于直接对硬件进行操作，所以能充分利用单片机的资源，具有很高的性 价比。不过系统成型之后，二次开发和扩展性会受到部分限制。 3 基于d s p 的数据采集与处理系统 北京服装学院硕_ l _ 学位论文 基十d s p 和单片机的数据采集0 处理系统的设计 数字信号处理器( d s f ) 是数字信号处理理论与超大规模集成电路( v l s i ) 技术融 合的结晶。d s p 与单片机相比，d s p 多采用时钟倍频做主频，c p u 采用哈佛结构，支 持流水线操作，在运行速度上有很大程度的提高，具有高效的数字信号处理功能。因 此在需要高速数据采集和处理的场合，基t - d s p 的数据采集与处理系统得到了大量应 用。 4 基于专用处理器的数据采集与处理系统 专用处理器从理论上而言是一种单片机的形式，不过它们是专为某些应用场合而 设计的。比如在通信、多媒体等便携式设备中，为了缩小产品的体积，芯片制造厂商 将输入输出设备、信号转换设备、特殊的计算单元等都集成到一个芯片里边，可以说 一个芯片就是一个较完整的数据采集与处理系统。 这种系统集成度高，功能强大，但一般价格较高。它们是专为特定的应用而设计 的，一般来说系统的可扩展性不强。 5 混合式的数据采集与处理系统 这种系统一般为上下位机结构。下位机一般由单片机及外围器件构成。它主要运 行在工业现场，将采集来的数据处理之后通过标准总线( 如r s 一4 8 5 、c a n 等) 传送给 上位机，它也可以接收来自上位机的指令去执行控制操作。上位机由微机、单片机系 统或其它处理器系统构成，它主要对下位机进行管理或对下位机发来的数据进行计 算，通过总线发出控制指令或者将计算结果送还下位机。 这种混合式的系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。可扩展性强，只要具 备统一的总线接口，上、下位机可以有多种组合方式。 1 1 4 数据采集与处理系统的发展趋势嘲h 1 微电子技术的一系列成就以及数字信号处理技术的发展，不仅为数据采集与处理 系统的应用开拓了广阔的前景，也对数据采集与处理系统的发展产生了深刻的影响。 使用便捷、低成本、易扩展、具有高速数据采集与复杂运算能力、高可靠性、网络化 的特点代表了现代数据采集与处理系统的发展趋势。 北京服装学院硕士学位论文 基寸二d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 1 2 本论文的意义和工作安排 1 2 1 论文工作的意义 从以上对数据采集与处理系统的介绍可知，对于以单片机为核心的系统，由于受 单片机指令速度慢的影响，在信号快速变化，且要求对信号实时进行复杂数学运算的 场合，其应用就受到了限制；对于以d s p 为核心的系统，由于d s p 芯片上集成功能较多， 提供的w o 口多为复用方式，专用的i o 口相对较少，其对信号采集和复杂数学运算的 处理要占用大量资源，使得其端口控制管理功能较弱，在事件处理方面显得有些不足。 在一些既要求大量、高频信号实时采集和实时复杂运算处理以及控制的场合，采用d s p 和单片机的双c p u 系统是切合实际的，它能充分发挥单片机干i j d s p 的优势。单片机作 为主机，它控制从机d s p ，实现控制、管理和与外部设备的通信，而d s p 主要完成实时 数据采集和复杂数学运算的任务。这样的主从) l y c p u 式的数据采集与处理系统可用于 工业控制、无人值守变电站的综合监控、大功率电机的监控、配网自动化等领域“。 基于如上考虑，本论文的工作就是设计一个以d s p 和单片机为处理器的通用型数据采 集与处理系统，使它能充分利用d s p 高效的数字信号处理能力和单片机良好的事务管 理能力，并且成为主要应用在工业控制、智能仪表、电力系统等领域的硬件测控平台。 1 2 2 论文内容安排 本文共分为五章，其内容安排如下： 第一章是引言部分，主要介绍了数据采集系统的概念、基本组成、分类和发展趋 势，并对现有的数据采集系统作了分类和概述；给出了论文工作的意义和论文内容安 排。 第二章是硬件系统设计部分，该部分是本文的重点。本章开始介绍了芯片的选型， 接着介绍系统的硬件框架，然后介绍7 d s p 、单片机年1 3 c p l d 等几个主要核心芯片以 及它们与周边器件之间的关系，其中重点介绍了系统各部分的功能、硬件连接和设计 方法。最后给出了本系统的技术指标。 第三章是软件设计部分，主要介绍了系统各器件的测试软件和参与控制多个器件 的c p l d 部分的软件，并且提出了用户开发时使用本系统资源的几个要求。 d 北京服装学院硕士学位论文 基于d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 第四章是结论部分，该部分对论文工作进行了总结，给出了本系统的应用前景、 不足和系统进一步完善的建议。 北京服装学院顺卜学位论义 基于d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 2 1器件选型 第2 章系统硬件设计 本文所述的通用数据采集与处理系统是以d s p 和单片机为处理器单元，外扩许多 有用的器件，如s r a m 、d a 转换、键盘和显示设备等构成，器件之间的关系比较复杂， 通过一块可编程逻辑器件实现它们之间的交互与控制不但降低了硬件设计复杂度，提 高系统可靠性，又缩短了系统丌发周期，是不错的选择。 2 1 1d s p 选型嘲 t i 公司占有全球d s p 市场的一半左右，产品线非常全面。我们知道d s p 有通用和 专用之分，本数据采集与处理系统是一个通用型的系统，当然要使用通用型的d s p 。 t i 的三个通用d s p 产品线定位非常清楚：2 0 0 0 系列主要用于各种工业控制场合；5 0 0 0 系列广泛应用在便携式设备、音频控制等领域；6 0 0 0 系列性能最高，通道最多，主 要用于高性能计算领域。各系列产品会根据自身应用领域的特点集成一些专用的器 件，方便用户开发。因为本系统主要应用在工业控制场合，所以我们选择2 0 0 0 系列 产品。 2 0 0 0 系列主要是指5 v 的f 2 4 0 x 系列和3 3 v 的f 2 4 0 x a 系列，它们除了工作电压 的不同，其他，如结构和配置完全相同。f 2 4 0 x a 系列产品主要配置见表1 。最后我们 选定的是性价比较高的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 2 1 2 可编程逻辑器件选型叫 可编程逻辑器件主要有f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ( f p g a ) 与c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s ( c p l d ) 两种，它们有很多共同特点，但由于c p l d 和 6 北京服装学院硕士学位论文基于d s p 和甲片机的数据采集与处理系统的设计 f p g a 结构上的差异，各有各自的特点： ( 1 ) c p l d 更适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻辑。换句 话况，f p g a 更适合于触发器丰富的结构，而c p l d 更适合于触发器有限而乘积项丰富 的结构。 表lf 2 4 0 x a 系列产品主要配置表 b e 女o i 皓 2 蝌h 自 s i n g b 黼 触磷拉 r ， 33 川。砌船n ：a n l 6 b w 甜钢 甜d * n # r 耸1 2 k4 o n 啮r o ”f b - b * 州噼 c 8 8 目啦# f 女p p m b t r e 憎r n a “b 恤渖i n * 铝c e e 删m 水协辫 砷d 8 f 协鲫d 镯 - g 鲫8 召执础伪e g pj “j e 唔 o # a mf c , m p 删” ， c a 掣i 搀 c p # 砼e p 。黼篇黟蕊、。 蚓c 3 0 c 蛐 - 3 蹴嚆甜期穿t 孵湖f 毽n 截挺$ 诹o o o h l 博啸蝻 m 嘞m 4 g f m 托 - c r _ s - c 口w 目计- r i r r * r 胞w “栅j o p l 0 0 o m o 聊母俐9 e l 4 d m4 酗d 8s 4 - 聃1鼬- 锄 d $ o ni b 3 审i n n p 酃# 田目9 p o ep z ；a g口gp 2p g 鼍篇翟言；。；”， p m e m 帅口；& t p o l ( 2 ) c p l d 的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的，而f p g a 的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。 ( 3 ) 在编程上f p g a 比c p l d 具有更大的灵活性。c p l d 通过修改具有固定内连电路 的逻辑功能来编程，f p g a 主要通过改变内部连线的布线来编程。 ( 4 ) f p g a 的集成度比c p l d 高。具有更复杂的布线结构，能完成更复杂的逻辑实 现。 ( 5 ) c p l d 比f p g a 使用起来更方便。c p l b 的编程采用e 2 p r o m 或f a s tf l a s h 技术， 无需外部存储器芯片，使用简单。而f p g a 的编程信息需存放在外部存储器上，使用 北京服装学院坝十学位论艾 基千d s p 和单片机的数据采集与处理系统的殴计 方法复杂。 ( 6 ) c p l d 的速度比f p g a 快，并且具有较大的时间可预测性。这是出于f p g a 是门 级编程，并且c l b 之间采用分布式互联，而c p l d 是逻辑块级编程，并且其逻辑块之 间的互联是集总式的。 ( 7 ) 在编程方式上，c p l d 主要是基于酽p r o m 或f l a s h 存储器编程，编程次数可 达l 万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。c p l d 又可分为在编程器上编程和 在系统上编程两类。f p g a 大部分是基于s r a m 编程，编程信息在系统断电时丢失，每 次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入s r a m 中。其优点是可以编程任意次， 可在工作中快速编程，从而实现动态配置。 ( 8 ) c p l d 保密性好，f p g a 保密性差。 ( 9 ) 一般情况下，c p l d 的功耗要比f p g a 大，且集成度越高越明显。 本系统中，可编程逻辑器件主要用于器件选通译码和控制，要求低延时，对功耗 没有特殊要求。综合考虑，选择c p l d ，型号是a l t e r a 公司m a x 7 0 0 0 系列的 e p m 7 2 5 6 a e t c l 0 0 1 0 。它有8 4 个可用i o 管脚，两个全局时钟管脚，5 0 0 0 个可用的门， 2 5 6 个宏单元。 2 1 3 单片机选型 单片机发展的历史很长，可供选择的型号非常多，因此放在d s p 芯片选型之后进 行。选定的l f 2 4 0 7 a 片上集成了许多有用的外设，因此对单片机集成度的要求就降低 了许多；它在双c p u 系统中主要做管理工作，实时性要求不高；为了方便以后系统的 升级，它应需要具备一定的可扩展能力。因此，选定a t 8 9 c 5 1 即满足了需求。 2 1 4 其他器件选型 d a 转换芯片选用t i 的d a c 7 6 2 5 u ，支持5 v 单电源，1 2 位，4 通道，转换输出码 制：二进制原码( 单极性输出方式) 和二进制偏移码( 双极性输出方式) ，d a 转抉 建立时间l o us 。 因为有了c p i 。d ，键盘和l c d 可以由它来控制，因此不需要专门的输入、输出控制 芯片。其中，为了开发方便，要求l c d 模块应具有字库芯片。 s 北京服装学院顺士学位论文 基十d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 其它如存储器、总线缓冲、通信电压转换等器件在本系统几个主要器件的选定后， 都已经被限定了选择范围，t i 公司也针对d s p 应用系统开发中芯片的选型提出参考 方案。具体选型见图2 。 所有在此没有提及具体型号的芯片会在后面章节谈到它们时给予介绍，这里不再 一一叙述。 2 2 系统硬件框架 硬件是系统工作的基础。硬件系统各器件连接见图2 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 主要用于模拟信号的采集和数字信号处理运算。与它直接相连的 a d c 转换输入口、数字i o 口和事件管理器输入输出接口中的捕获单元接口都可以直 接给它提供数据：s p 接口、c a n 接口和s c i 接口是三个通信接口，主要用于与其它 设备连接，其它设备将数据通过这些标准通信接口传送给t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，它依照与 其它设备定义好的通信协议处理这些数据，它还可以通过这些接口发送数据给其它设 备；事件管理器输入输出接口中的p w m 输出接口用于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 输出p w m 波形； 总线扩展口是将t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的所有数据总线、地址总线以及总线控制信号扩展给 外部的接口，主要用作数据空间和i o 空间的扩展：c y 7 c 1 0 2 1 ( 6 4 k 1 6 位) 是s r a m ， 是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 外扩的程序存储器( 3 2 k x l 6 位) 和数据存储器( 3 2 k 1 6 位) ； c y t c l 3 6 ( 2 k 8 位) 是双口r a m ，外扩到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的i o 存储空间，用来与 a t 8 9 c 5 1 交互数据。 a t 8 9 c 5 1 主要用于管理用户接口、b a c 输出接口、数字i o 输出接口和外部通信 接口。d a c 7 6 2 5 是d a 转换器，它和数字i o 接口分别输出控制用的模拟信号和数字 信号：s c i 接口使用r s 一2 3 2 通信标准与外部通信，在分布式环境下可将其作为整个 采集与处理系统和上位机的接口，上传处理结果，下载控制命令；c y 7 c 1 3 6 是a t 8 9 c 5 1 的外扩数据存储器，主要用来与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 交互数据。 北京服装学院碰i 学位论文 基十d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 图2系统硬件结构图 e p m 7 2 5 6 a e t c l 0 0 1 0 是c p l d ，主要实现存储器的选通译码、一些总线缓冲器件输 出允许控制和数据流动方向的控制、系统复位管理、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与a t 8 9 c 5 1 的通 信控制和人机交互设备的管理。键盘是用户输入设备，c p l d 对其进行扫描管理，将 按键信息交给a t 8 9 c 5 1 ，后者对按键信息进行响应；l c d 是显示设备，供用户查看系 统运行状况，a t 8 9 c 5 1 负责将需要显示的信息发给c p l d ，后者利用这些信息更新l c d 的显示。 系统采用了在线可编程技术，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和c p l d 可以很方便地进行重复编 程，因而使整个系统具有良好的升级功能，能满足不同的需求。 以下各节将围绕着几个功能模块，介绍主要器件的特点及其设计要点。 2 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 基本系统咱踟”叫 2 3 1 时钟 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片上有多个部件需要时钟，例如c p u 、看门狗电路、a d c 、事件管 理器、s c i 、s p i 等片上外设，因此必须保证时钟电路的稳定可靠。 l f 2 4 0 7 a 可以采用两种时钟电路。第一种是用无源晶体连接x t a l l 和x t a l 2 端， 另一种是用有源晶振连接x t a l i 端，不接x t a l 2 端。两者相比，使用有源晶振更稳定， 负载能力强“。本系统采用有源晶振的方法，连接如图3 。 1 0 北京服装学院硕i 学位论文基干d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 _ _ _ _ _ _ l 1 lx t al l ，c l k i n x t a l 2 p l l f m 1p l l f p l l f 音频 系数 1p l l f 2 ( 3 b i t ) 图3l f 2 4 0 7 a 时钟电路图 l f 2 4 0 7 a 由外部晶振提供参考时钟输入，外部晶振频率不高，保证了系统时钟运 行的稳定，经片内p l l 倍频给出l f 2 4 0 7 a 的系统时钟c l k o u t ，而系统时钟c l k o u t 则 作为c p u 、看门狗电路、a d c 、事件管理器、s c i 、s p i 等片上外设的时钟信号，使用 起来非常灵活、高效。 p l l 的倍频系数则由l f 2 4 0 7 内的系统控制和状态寄存器s c s r l 中的3 位( 1 i 9 ) 来控制，其对应关系如表2 。 表2 用s c s r i ( i i 9 ) 选择p l l 时钟的配置表 c l k p 鸵c l 嚣p s c u 嘞 c l i o u t oo04 x o o 2 x f m 01o1 3 3 xf i n 0111xf - n 1o口 0 _ 8 x f h 101 0 6 6 1100 5 7 xf n * 舞：群嘴：；：i蕊i 舞霜h 鬻落舞 i z g 瑚i 舞爨 h = = ：= ：1 _ m m x i _ ：= = = = = ：+ ：= ：= j 囊鍪蠡嚣蕊鼬硅阿幽呻酬缸出橱隅e t 每卵。1 ，臻i 且。f 5 x f j 盱 注意：l f 2 4 0 7 a 片内运行最高频率是4 0 m h z ，因此，若用户更换了系统晶振，且 晶振频率大于l o m h z 时，配置p l l 倍频系数要注意使c l k o u t 不大于4 0 - i z 。 北京服装学院硕士学位论文 基于d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 2 3 2 存储空间的分配 & 9 舯 f b 8 | ls o c 抽r0 懈 * 渊c o s 卿p j j 要黜：露誊恕 r 辞“s o 妇1 1 2 獬 f t a m t5 0 m 2 t 2 k f 目l i h 自。橱4 洲 s a e 2 獬 抽蜘雎伊o h ：轴 l b n 毽l p 锄 e m 荆弧目 r 螗卵抖水 e n f = 砧 - 恼m 醇嘞f = 谤 ”4 瓣篇搿 协的幡咩书辉币 r 蝴避嘲哟舢r 伽a 蝴曲袖 塑兰唆! ! ! 塑墼 i 嘲脚 琏a e # r 坩 一l e * = ” o n - c m po 埘( b t 4 f 妇4 耕v g i l e a l # 副嘲j 2 研 i m 4 ) o “= 1 r d = o # 自雷瓣 期砷啪瞄啪m 钢嘲l p 孵 r 明 出nl 砷哦。m ，m c s 乱s 能c a n , i i o 嘛抽f p 妇 f - - 1 器黜裂豁删孑竺篇篇胃瓣”啪抖瑚4 n 日摩曹n m 聍叫一p i c 。1 f e f f f f d , 0 f f 0 p f q f f f l 0 f m le d m m 甜 r b 镕n f l 髓# c 娟缸d 蜘咖r 蚺睇 镰f 蛐g m n $ 。f c o , t l t l n 目 r 哮妇f o 1 c | i i m 口$ a f b m t 】镕 口一w 蝌 图4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 存储空间映射图 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 存储空间为三个：程序存储空间( 6 4 k 1 6 位) 、数据存储空间( 6 4 k 1 6 位) 、输入输出( i 0 ) 空问( 6 4 k 1 6 位) 。图4 是整个存储空间的映射图。 存储空间分配形式的多样性对大多数应用程序来说既提供了足够的物理空间，也 提供了针对不同应用环境下对存储空间要求的灵活性。 本系统中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 外扩了一块s r a m ( 6 4 k 1 6 位) 和一块双口r a m ( 2 k 8 位) 。表3 展示了所有存储体在存储空间中的映射。接下来几个小节将具体介绍存储 器是如何映射的。 萋薹怒躲黥篙鬣豁雠黑 丽 镒 蕊 韭塞坚笙兰堕竺! 兰焦望兰 量旦翌塑兰! 型! 塑垫塑墨墨童竺堡墨堕塑堡生 表3 所有存储体在存储空间中的映射表 f 地址范围数据空i 可程序空间 i 0 空间 o x 0 0 0 0 存储器映射寄存片内f l a s h双口r a m o x 0 0 5 f器 3 2 k 1 6 位2 k 8 位 ( m p 一m c = o ) 或 o x 0 0 6 0片内d a r a mb 2 外扩g r a m 的低 o x 0 0 7 f3 2 1 6 位 3 2 k ( m p m c = 1 ) o x 0 0 8 0保留 o x 0 1 f f o x 0 2 0 0片内d a r a md o片内f l a s h保留 o x 0 2 f f2 5 6 1 6 位3 2 k x l 6 位 0 x 0 3 0 0片内d a r a mb l( m p m c = 0 ) o x 0 3 f f2 5 6 1 6 位或外扩g r a m 的 o x 0 4 0 0保留低3 2 k o x 0 7 f f( m p m c = 1 ) o x 0 8 0 0片内s a r a m o x o f f f2 k 1 6 位 o x l 0 0 0保留 o x 6 f f f o x 7 0 0 0片内存储器映射 o x 7 f f f外设寄存器 o x 8 0 0 0外扩g r a m片内s a r a m2 k 1 6外扩的控制状 o x 8 7 f f高3 2 k位( p o n = 1 ) 或态 外扩g r a m寄存器 ( p o n = 0 )( 暂未使用) 0 x 8 8 0 0外扩s r a m o x f d f f o x f e 0 0保留( c n f = 1 ) 或 o x f e f f外扩g r a m ( c n f = o ) o x f f 0 0片内d a r a m b o 保留 o x f f o e ( c n f = 1 ) o x f f o f或片内f l a s h 控制 外扩s r a m ( c n f = o )寄存器 o x f f l 0保留 o x f f f e o x f f f f片内软件等待发 生控制寄存器 1 3 北京服装学院埘十学位论文 基于d s p 和单片帆的数据采集与处理系统的设计 2 3 2 1 片内存储空间 外扩存储器的最主要原因是片内存储空削不满足应用的需求。下面列出l f 2 4 0 7 a 的片内存储器分配情况，可以看到实际可用的数据存储空问与片内总空间来比非常 小，程序存储空间是f l a s h ，不利于调试。因此，若要让系统使用更方便，应用更广 泛，就必须扩展片外存储空间“。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内存储器分为三类：s a r a m 、d a r a m 和f l a s h 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 共有2 k 】6 位单周期单访问随机存储器s a r a m ，可以映射到程序 空间或数据空间，由s c s r 2 寄存器的d o n 和p o n 位控制，如表4 所示。 表4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内s a r a m 分布表 d o np o n片内s a r a m 0os a p , a m 关闭，地址空间映射到外部 01 s a r a m 映射到程序空间 10s a r a m 映射到数据空间 ll s a r a m 映射到程序空阳j 和数据空间 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内共有3 块单周期双访问随机存储器( d a r a m ) b o 、b 1 和b 2 ， b 0 和b 1 为2 5 6 1 6 位，而b 2 为3 2 1 6 位。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片上有3 2 k 1 6 位嵌入式f l a s h 存储器，其存储单元中的数据受 片上f l a s h 中的密码保护。f l a s h 存储器由2 个4 k 1 6 位扇区和2 个1 2 k x1 6 位扇 区组成，如表5 所示。用户可以对其中任何一个扇区进行擦除、编程和校验，而其它 扇区不变。 表5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内f l a s h 分布表 地址程序空间 o x 0 0 0 0 o x 0 0 3 f中断矢量表 0 x 0 0 4 0 o x 0 0 4 3p a s s w o r d o x 0 0 4 4 0 x 0 f f fs e c t o r0 ，4 k 1 6 位 o x l 0 0 0 o x 3 f f fs e c t o r1 ，i 2 k 1 6 位 o x 4 0 0 0 0 x 6 f f fs e c t o r2 ，1 2 k 1 6 位 0 x 7 0 0 0 o x 7 f f fs e c t o r3 ，4 k 1 6 位 北京服袈学院硕士学位论文 基十d s p 和甲片机的数据采集与处理系统的设计 2 3 2 2 片外程序、数据存储空间的映射及片选 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条1 6 位总线，即程序地址 总线( p a b ) 、数据读地址总线( d r a b ) 、数据写地址总线( d w a b ) 、程序读总线( p r d b ) 、 数据读总线( d r d b ) 、数据写总线( d w e b ) ，其程序存储器总线和数据存储器总线相互 独立，但是在芯片外部上只有一条地址总线和一条数据总线。 而在本系统中，为了调试方便，需要外扩程序存储空间( 3 2 k 6 4 k ) ；为了充分 发挥l f 2 4 0 7 a 的性能，需要外扩数据存储器( 3 2 k ) 。扩展的c y 7 c 1 0 2 i 为6 4 k 1 6 位， 因此，程序空间和数据空间共用这块s r a m 。必须注意对地址总线进行译码，选对合 适的存储器区域。 外扩s r a m 的高3 2 k 被映射到l f 2 4 0 7 a 数据空间的高3 2 k 中。外扩s r a m 的低 3 2 k 被映射到l f 2 4 0 7 a 程序空间的高、低3 2 k 中。当m p 丽= 0 时，程序空间的 低3 2 k 映射给片内f l a s h ，此时外扩s r a m 的低3 2 k 只能映射到程序空间的高3 2 k ； 而当m p 丽= 1 时，外扩s r a m 的低3 2 k 映射到程序空间的低3 2 k ，此时，l f 2 4 0 7 a 复位时将从外扩s r a m 开始运行。调试时必须保证程序不能大于3 2 k ，否则不能完全 烧入片内f l a s h 内。 如前所述，对存储空间的划分必须依赖地址总线和控制信号结合起来译码，使 l f 2 4 0 7 a 正确访问外部s r a m 。 将以上信号线依图5 连接，通过c p l d 译码实现对c y 7 c 1 0 2 1 的片选。 图5l f 2 4 0 7 a 与c y 7 c 1 0 2 1 的连接示意图 若c y 7 c 1 0 2 1 地址最高位用b a l 5 表示，则c y 7 c 1 0 2 1 上与c p l d 连接的几个信号分 1 5 北京服装学院硕士学位论义 基十d s p 和单片机的数据采集与处理系统的设计 别表示为： ( 1 ) c y 7 c 1 0 2 1 地址最高位b a l 5 ： b a l 5 用来进行程序存储空间( 低3 2 k ) 和数据存储空间( 高3 2 k ) 的区分，当数 据空间选通而程序空间无效时b a l 5 为l ，c y 7 c 1 0 2 l 选中高位3 2 k 的程序空间；当程 序空间选通而数据空间无效时b a l 5 为0 ，c y 7 c 1 0 2 1 选中低位3 2 t ( 的数据空问 ( 2 ) c y 7 c 1 0 2 1 片选信号蕊： c y 7 c 1 0 2 1 被数据存储空问和程序存储空间共用，因此，两者中任何一个空间选通， 都表示要访问c y 7 c 1 0 2 1 ，所以它的片选信号丽也会被置o ，表示存储器开始接受访 问。 ( 3 ) c y 7 c 1 0 2 1 输出使能信号蕊： 当程序空间和数据空间中任何一个空间被选通，且当前l f 2 4 0 7 a 的读信号有效时， c y 7 c 1 0 2 1 的输出使能信号丽被置o ，表示输出允许有效。 注意砣的译码，按常规用法，c y 7 c 1 0 2 1 的砸可直接连接d s p 的丽或w - 信 号，然而在设计中发现，直接连接的方法会造成与 o 空间读操作的冲突，这一切都 是因为经过c p l d 译码后出现的读操作时序异常造成的。所以将r w 信号与数据、程 序空间选通信号一起译码来控制c y 7 c 1 0 2 1 的丽。经验证能顺利完成d s p 对不同存 储空间的读操作。 2 3 2 3 片外i 0 空间分配及片选 l f 2 4 0 7 a 般通过i o 空间扩展来操作外设，那是因为几乎每一种外设的操作都 是通过读写其上的寄存器来进行的。外设寄存器也称为“i o 端口”，通常包括：控 制寄存器、状念寄存器和数据寄存器三大类，而且一个外设的寄存器通常被连续地编 址。 c p u 对外设i o 端口物理地址的编址方式有两种：一种是i o 映射方式( i o - m a p p e d ) ，另一种是内存映射方式( m e m o r y m a p p e d ) 。而具体采用哪一种则取决于 c p l i 的体系结构。 某些体系结构的c p u 通常只实现一个物理地址空间( r a m ) 。在这种情况下，外设 w o ( 如果需要的话) 端口的物理地址就被映射到c p u 的单一物理地址空间中，而成 为内存的一部分。当然，这样的操作要损失部分内存空间，还必须处理好对此块地址 1 6 生! 燮堕塑主丝笙里 苎王旦! ! 塑羔苎壑堕鏊塑墨壅皇竺里蔓竺盟堡生 空间的译码和控制电路。此时，c p u 可以像访问一个内存单元那样访问外设i o 端口， 而不需要设立专门的外设i o 指令。这就是所谓的“内存映射方式”( m e m o r v m a p p e d ) 。 而另外一些体系结构的c p u 则为外设专门实现了一个单独的地址空间，称为“i o 地址空问”或者“i o 端口空间”。这是一个与c p u 的r a m 物理地址空间不同的地址 空问，所有外设的i o 端口均在这一空间中进行编址。c p u 通过设立专门的i o 指令 ( 如t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的i n 和o u t 指令) 来访问这一空间中的地址单元( 也即i o 端 口) 。这就是所谓的“i o 映射方式”( i o - - m a p p e d ) “。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对外设的操作比较特殊，因为它的外设包括片内和片外两种。片 内集成的外设使用“内存映射方式”来操作，片外的外设也提供了专门的1 1 0 空间， 使用“i 0 映射方式”操作。 与r a m 物理地址空间相比，i o 地址空间通常都比较小，但是在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中并不是如