基于TMS320F2812数据采集与CAN总线传输毕业论文.doc

摘要目前，数据采集系统广泛应用于科研，教育，工业，水利等众多领域。随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理已经成为高速实时处理的一项关键技术，而数字信号处理器（DSP）芯片的出现为实现数字信号处理算法提供了可能。本系统采用TMS320F2812作为核心处理器，完成四路模拟信号的数据采集，将采集后的数据暂存在片内存储器中，进行数字滤波后，传输到计算机显示。F2812有丰富的片内外设，用它作为处理器进行电路设计，可以使电路结构设计简单，成本低，开发周期相对短。数据采集部分，采用F2812内部自带的12位AD转换模块，由于F2812内部存在增益误差和偏移误差，对系统的精度有一定的影响。数字滤波部分，采用FIR滤波器，利用MATLAB的FDAtool软件来实现。数据传输是基于CAN总线完成，利用的是F2812上的eCAN模块，采用TI公司的SN65HVD230作为收发器，它是CAN协议控制器和物理总线的接口。并完成了对自动换挡电路模块、隔离电路模块，有效值转换电路模块的设计。关键词：TMS320F2812；数据采集；FIR数字滤波；CAN总线ABSTRACTCurrently, data acquisition systems are widely used in scientific research, education, industry, irrigation. With the rapid development of computer and information technology, digital signal processing technology has been more and more important in high-speed and real-time processing. The appearance of DSP chip makes the arithmetic of digital signal processing come true.Based on TMS320F2812, our system completes the acquisition to four anolog signal.The acquisited data is storaged in the chips memory temporarily, then it is filtered and transmitted to PC. As this chip has abundant of peripheral, we can have a simple circuit architecture, a low cost and a short development time by using it. In A/D part, we use the 12-bit ADC of the chip. Due to the internal errors of the F2812 influence the system percision, we give the ways to improve sampling precision.In the digital filter part, we design FIR filter.In the system,we use FDATool in the Matlab.Data transmission is based on CAN bus.We use F2812 eCAN module.The transceiver is SN65HVD230 of TI company, which is the interface of CAN between CAN controller and physical bus. And we design the automatic range selection circuit module,isolation circuit module and the RMS converter circuit module.Key words:TMS320F2812；data acquisition；FIR digital filter；CAN bus目 录第1章 绪论11.1 论文研究的背景和意义11.2 数据采集系统国内外研究现状21.3 论文研究的主要内容4第2章 数据采集系统的核心电路设计62.1 系统总体实现方案62.2 DSP芯片的选取62.3 TMS320F2812芯片的介绍92.4 TMS320F2812最小系统的设计132.5 A/D模块设计162.6 CAN模块的设计172.7 数字滤波器的选择与设计182.8 本章小结21第3章 数据采集系统的接口电路设计和调试223.1 直流电压接口电路的设计223.2 交流电压转换电路的设计293.3 直流电流接口电路的设计303.4 交流电流转换电路的设计313.5 本章小结32第4章 数据采集系统的软件编程和调试334.1 DSP实验箱的介绍334.2 系统仿真调试的工具334.3 ADC程序的编写和调试364.4 CAN总线程序的编写和调试414.5 数字滤波的仿真和移植454.6 本章小结50结论51参考文献53致谢55第1章 绪论1.1 论文研究的背景和意义在计算机广泛应用的今天，微机应用日益普及深入发展，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。 数据采集就是将被测量对象的各种参量通过各种传感器元件做适当转换后，再经信号调整、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储的过程。数据采集的在多个领域有着十分重要的应用，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。数据采集系统广泛应用于信号处理、通信及图像处理等现代电子信息实时处理工程。随着现代工业生产规模的不断扩大，并朝着大型化、高速化、自动化和连续化的方向发展，对数据采集系统的要求也越来越高。随着大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器、存储器、输入/输出等外围接口的性能不断提高，体积越来越小，价格越来越低，数据采集器也不断向智能化、小型化发展。智能化仪器的研制已经成为当今研制的主要方向。数字信号处理器 (DSP)主要针对描述连续信号的数字信号进行数学运算，以得到相应的处理结果。这种数学运算以快速傅立叶变换 (FFT)为基础，对数字信号进行实时的处理。最近二十多年来，由于集成电路技术的高速发展，用硬件来实现各种数字滤波和快速傅立叶变换成为可能，从而使DSP得到了极为快速的发展和广泛的应用。在数字化世界和互联网的时代，DSP已经变得越来越重要，可以说是无处不在。随着计算机和微电子技术的高速发展，各项性能指标的要求也逐渐提高。对数据的采集除了要求具有高速度和高精度外，还需要对多通道的输入信号进行采集，然后将采集到的数据送到控制器或上位机上进行分析和处理。控制器大多采用单片机，单片机也从4位、8位、16位向32位发展。单片机有结构简单、价格低廉、能力强接口可扩展等优点，但其数学运算能力有限，难以满足高精度和速度的数据采集与处理的需求。另外就是数据与上位机之间的数据问题，目前用于上位机的数据采集处理卡大多是基于ISA，PCI总线的，这类结构的最大缺点是安装和拆卸都需要打开机箱，占用系统硬件资源，给现场的检测与调试都带来很大的不便，而且系统的成本高，还影响了应用的便携性。所以，需要设计一个更便携，成本更低的数据采集系统和一种更快速，操作更简单的总线传输。在电力电子技术实验中，需要测量多路连续信号进行对比分析，但是实验要求测量设备的通道都需要被隔离，防止烧坏示波器。虽然市场中也有带隔离的可以同时测多组信号的产品，但是价格都是比较昂贵，不能在实验室中大量配备。本课题就是在此背景下，设计一个基于DSP的多功能、多通道、带隔离和显示的采集系统并利用CAN总线作为便捷、快速、实时的传输工具。1.2 数据采集系统国内外研究现状数据采集是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控制等，具有很强的实用性。随着现代科学技术的发展和计算机技术的普及，数据采集技术已广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域1。精度和速度是数据采集系统追求的两个最终目标，对任何测量值都需要有精度作为支撑，速度则可以提高工作效率。近些年来，随着数字化技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展趋势。在冶金、化工、 医学和电器性能测试等许多应用场合需要同时对多通道的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送，再由上位机进行数据分析处理、自动报表生成、信号波形显示和出打印等处理。数据采集技术在自动测试、自动控制、通信、信号处理等领域中得到广泛的应用。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。目前，多通道的数据采集器一般是采用模拟开关来实现通道切换的。模拟开关的优势在于它可以实现高速的切换，但模拟开关的输入电压一般是不允许超过其供电电压的，因此在常用的低压电路中输入电压就被有限的限制住，尤其是无法完全抑制共模电压的影响。而且由于其本身也有漏电现象就无法实现通道间的完全隔离。但是采用干簧继电器这一开关器件可以实现通道的完全隔离。这种设计既避免了模拟开关的漏电现象，又同时起到了对高压隔离的作用，从而能有效的应用于多通道且信号、小信号之间存在电压差条件下的精确测量。但是该类型仪器在国内市场中尚未见报道。这种数据采集器的设计目的就是要实现仪器各通道完全隔离的情况下的高精度和低成本，智能化，并且使仪器的用途较广(可以对湿度、压力、电流、温度、流量等数据进行采样)，其重量轻，便于携带，也操作简单。比如在热加工行业，采集热加工过程中的温度是一项极为重要的工作，通过该仪器对温度进行监视有助于保证产品的质量，多通道采集器说我使用使原来一个温度的样点就需要一台采集器的情况变成一台采集器可以控制多个采样点；在造纸厂的纸浆车间里，常常需要监视纸浆的流动速度，即进行流量的测试，对该仪器的流量进行监视有助于节约成本并且保证了纸的质量；又比如在矿下作业中，使用高精度数据采集器可以更为方便地采集煤矿中的瓦斯浓度，而且采集器的各通道之间是隔离的，其他通道用于监测环境湿度、温度以及二氧化碳等气体的浓度，结合远距离数据的传输，通过上位机就可以起到险情警告和环境监测的作用2。首先来说一下国外的几种数据采集器。第一种是英国Schlum-berger公司生产的IMP3595系列数据采集器，其主要用于工业环境和其它恶劣条件下的多通道、慢变化模拟信号（温度、压力、流旦、应变等）的实时连续检测以及各种开关量信号的输入和输出，模拟里的输出，从而实现对生产过程中对数据的采集和控制。IMP3595系列数据采集器的主要特点如下：（1）测量精度高；（2）功耗低，效率高；（3）抗干扰性、可靠性高；（4）能够在各种恶劣的环境下工作；(5)安装方便，使用灵活。第二种为英国ACIC的DATASCAN7000系列。这一系列的数据采集器在采集信号的精度、范围及功能等方面与英国Schlumberger公司的IMP3595相类似。它主要在网络功能上做了一些调整。第三种数据采集器为希蒙电子国际有限公司的ALPHA900系列。ALPHA900系列数据采集器是一种用于条件监测、工业过程监测或者加工监测的经济型智能化前端采集器。它使用价格低廉的RS485网络与主机相连，并提供精确的压力、电阻、温度及应变等测量数值，以及数字事件和频率数据。再谈一下国内的情况，国内的数据采集器采样精度相比国外的较低，这是因为技术的原因，并且由于在工业生产中以及在环境，大气等的测量中，大多都是有针对性的去采集数据，因此设计的数据采集器专用化程度较高。其中也有部分公司相继推出了一系列同国外产品的性能相似的数据采集器。不过在整个数据采集市场上，数据采集板和数据采集卡依然是主流产品，由于它们的价格相对较低，因此受到很多对数据采集环境要求不高的用户们的欢迎。但是台湾研华的采集卡与采集模块有很多产品在行业内是评价很高的。比如7018模块，它能够在外部接成8个差分或是6个差分加2个单端的输入方式。具有毫伏和伏级别的量程，也可以接多种温度传感器，并且可以实现每秒10个采样点快速的连续采集，采样精度可达0.1%。经对国内外数据采集器的性能、功能以及价格的对比，可以大致的得到如下结论：国外的数据采集器一般采样精度较高，规格较全，但是价格较为昂贵；而国内的采样精度较低，一般在0.2%以下，产品比较有针对性，价格较合理。1.3 论文研究的主要内容本设计完成对四路模拟信号进行数据采集、数字滤波和数据传输。系统设计包括核心组件的设计和各模块的软件设计。其内容如下： (1)研究论文的背景和意义，数据采集系统国内外的研究现状，并且对数据采集、CAN总线通信进行了简要的介绍。 (2)对数据采集系统的核心电路设计进行叙述，对系统的总体方案进行概述，对DSP进行简单的介绍并讨论对其芯片的选择，并简述TMS320F2812芯片特性，对TMS320F2812最小系统进行设计，介绍了A/D数据采集原理，对eCAN总线模块进行说明设计，并对数字滤波器进行分类。(3)对数据采集系统的接口电路的设计和调试进行说明，分别对直流电压、交流电压、直流电流、交流电流这四种模拟信号进行转换，其中完成对自动换挡电流模块、隔离电路模块，有效值转换电路模块的设计，在此基础上，对这三个模块进行了硬件调试，并测出了参数。(4)对数据采集系统的软件部分进行编程与调试，简介了CCS软件，对ADC模块、数字滤波模块、CAN总线模块的程序进行说明，并用Matlab软件对数字滤波模块进行建模与仿真。 第2章 数据采集系统的核心电路设计2.1 系统总体实现方案系统的工作流程为：将四路模拟信号,分别为01000V的直流电压、0400V的交流电压、010A的直流电流和010A的交流电流，均转换成03V的直流电压，用TMS320F2812 DSP芯片集成AD，采集数字信号，将采集到的数据进行存储、数字滤波，将处理好的数据通过CAN总线传输到上位机上进行显示。本系统的基本结构图如图2.1所示。 图2.1系统基本结构框图2.2 DSP芯片的选取 设计DSP应用系统，选择DSP芯片是极为重要的一个环节。只有选择了合适的DSP芯片才能进一步设计其外部电路及系统的其他电路。TI公司目前推出了三大DSP系列产品：TMS320C2000系列芯片，其中包括TMS320C20x，TMS320C24x和TMS320C28x三类。TMS320C5000系列芯片，其包括TMS320C54x和TMS320C55x两类。TMS320C6000系列芯片，其包括TMS320C62x、TMS320C67x和TMS320C64x三类。一般来说，选择DSP芯片时应考虑如下几条因素： (1)系统特点 每种DSP芯片都有自己相对适合的应用领域，在设计时必须根据系统自身的特点进行选择。例如，TI公司的C2000系列处理器可以提供多种控制系统使用外围设备，比较适合控制领域；C5000系列处理器具有处理速度快、功耗低等特点，适合便携设备及消费类电子设备的使用；C6000系列处理器具有处理速度快、精度高等特点，适合图像处理、通信设备等领域。 (2)DSP芯片的运算速度 DSP芯片的一个最重要的性能指标是运算速度，也是选择DSP芯片时所必需考虑的一个主要因素。DSP的速度通常是指令周期的时间，也有的指核心功能的运算时间。一般选择处理运算速度不要过高，速度较高的DSP芯片，系统实现也比较困难。 (3)DSP芯片的价格 在满足要求的情况下尽量使用低成本DSP芯片。如果采用价格昂贵的DSP芯片，即使其性能再高，其应用范围必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，确定一个价格较适中的DSP芯片。(4)DSP芯片的硬件资源 不同的DSP芯片所提供的硬件资源都是不相同的，如片内ROM,RAM 的数量，数据空间和外部可扩展的程序，及总线接口，1/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片（如TI的TMS320C54x系列），系列中不同DSP芯片也具有不同的内部硬件资源，可以适应不同的需要。(5)DSP芯片的运算精度DSP芯片分为定点、浮点处理器。一般的定点DSP芯片的字长为16位，如TMS320系列。但有的公司的定点芯片为24位，如Motorola公司的MC56001等。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。对于运算精度很高的出理，可以选择浮点处理器。(6)DSP芯片的开发工具不同的应用，对开发简便性的要求也不相同。对于研究和样机的开发，一般要求系统工具可以便于开发，因此选择DSP时需要考虑相应的软件开发工具、硬件工具、高级工具以及技术支持情况。若是有功能强大的开发工具作为支持，如C语言的支持，则开发的效率将会大大提高。 (7)DSP芯片的功耗在某些DSP应用场合，功耗也是一个需要特别关注的问题。如便携式的DSP设备、手机和野外应用的DSP设备等都对功耗有特殊的要求。 (8)其他除了上述因素外，选择DSP芯片还应考虑到质量标准、封装的形式、供货情况、生命周期等。某些DSP系统最终要求的是工业级或者军用级标准，在选择时就应该注意到所选的芯片是否满足工业级成军用级的同类产品。若所设计的DSP系统不仅仅是一个实验系统，而是需要批量生产并且有可能有几年甚至十几年的生命周期，则还要考虑所选的DSP芯片供货情况怎样，是否也具有同样甚至更长的生命周期等。 上述诸多因素中，一般而言，定点DSP芯片的价格比较便宜、功耗较低，但是运算精度稍低。而浮点DSP芯片的优点是运算精度高，并且C语言编程调试方面比较容易操作，但缺点是价格稍稍贵，功耗也较大。DSP应用系统的运算量是确定所选用处理能力为多大的DSP芯片的基础运算量小的则可以选用处理能力不是很强的DSP芯片，从而达到降低系统成本的目的。相反，运算量大的DSP系统则必须选用处理能力强的DSP芯片。如果DSP芯片的处理能力达不到系统的要求，则必须用多个DSP芯片并行处理3。TMS320C2000系列DSP芯片集微控制器和高性能DSP芯片的特点于一身，具有强大的控制和信号处理的能力，能够实现复杂的控制算法。TI公司的C2000控制器平台中主要包括C24x和C28x两个系列。C28x系列高精度数字信号处理器，其性能是目前任何现有的任何DSP芯片所无可比拟的。综上所述，故选择TMS320F2812芯片作为本系统处理器。2.3 TMS320F2812芯片的介绍 TMS320F2812是一款专门用于控制领域的DSP芯片，具有高性能静态CMOS技术，高性能32位CPU，运行时钟可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns。IO口丰富,两个串口,具有12位的03.3v的AD转换。最多可有56个独立可编程通用输入/输出引脚。可以快速的中断响应和处理，具有统一的存储器编程模式，可达4M字的线性程序/数据地址，多达128KX16位Flash存储器，并且能用C语言进行汇编4。下面从四个部分分别对TMS320F2812芯片部分做简要的介绍：（1） F2812的时钟单元。TMS320F2812处理器内部集成了振荡器、锁相环、看门狗及工作模式选择等控制电路。振荡器、锁相环主要为处理器CPU及相关外设提供可编程的时钟，每个外设的时钟都可以通过相应的寄存器来进行编程设置。看门狗监控程序的运行状态，可以提高系统的可靠性。锁相环是一种控制晶振，在数字信号处理芯片上，其主要功能是通过软件实时地配置片上外设时钟，来提高系统的灵活性和可靠性。F2812处理器的片上晶振和锁相环模块为内核及外设提供时钟信号，并且控制器件的低功耗的工作模式。片上晶振可以使用两种方式为器件提供时钟：采用内部振荡器和使用外部时钟源。内部振荡器一般必须在Xl/CLKIN和X2两个引脚之间连接一个30MHZ的石英晶体，使用外部时钟源将输入的时钟信号直接接到Xl/XCLKIN脚上、X2悬空。如图2.2所示为晶体振荡器及锁相环模块结构，外部引脚可以选择系统的时钟源。当为低电平时，PLL被禁止，系统将直接采用外部时钟或外部晶振作为系时钟；当为高电平时，外部时钟经过PLL倍频后为系统提供时钟。此外还可以通过外设时钟控制寄存器控制使能外设时钟，包括快速外设和慢速外设，分别通过高速外设时钟寄存器(HLSPCP)和低速外设时钟寄存(LOSPCP)进行设置5。图2.2 晶体振荡器及锁相环模块（2） F2812的中断。c28xDSP芯片内核总计有16个中断线，其中包括14个可屏蔽中断(INT1INT14)和2个不可屏蔽终端(RESET和NMI)。可屏蔽中断是通过相应的中断使能寄存器使能或禁止产生的中断。其中，可屏蔽中断INT14来自于F2812中的32位CPU定时器2，这个定时器和CPU定时器1都是用于实时操作系统中的。INT13来自CPU定时器1或是外部中断3。其余的可屏蔽中断(INT1INT12)都来自于PIE管理器。所有16个中断线都连接到中断向量表上，中断向量表中的每个中断都对应一个32位的中断入口地址，应用程序可以利用这些入口地址来跳转到相应的中断服务程序中。PIE单元可以使8个外设或外部引脚中断共用一个CPU中断信号，因此PIE单元将所有的中断被分成12组。根据中断仲裁机制，PIE将12个CPU中断扩展为96个PIE中断。目前，F2812只使用96个PIE中断中的45个。下面我将简要的阐述三种中断，分别为：外设级中断、PIE级中断和CPU级中断。首先对外设级中断进行说明。当外设产生中断时，对应外设的中断标志寄存器(IF)相应的位将会被置1，如果中断使能寄存器(IE)中相应的使能位也被置1，则外设产生的中断将向PIE控制器发出中断申请。然后对PIE级中断过程进行说明。PIE单元每一组有一个中断信号向CPU申请中断。一旦片内外设向PIE控制器发出中断请求，相应的中断标志位(PIEIFRx.y)将被置1，如果相应的PIE中断使能位也被置1 , PIE将检查相应的PIEACKx，从而确定CPU是否准备响应该组中的中断。如果相应的PIEACKx位为0，则PIE向CPU级发出中断请求;如果PIEACKx被置1，则PIE将进入等待状态，直到相应的PIEACKx被清0才能向CPU申请中断。最后说明下CPU级中断。当向CPU发出中断申请时，CPU级中断标志位(IFR)将被置1。中断标志位锁存到标志寄存器后，只有CPU中断使能寄存器(IER)或中断调试使能寄存器(DBGIER)相应的使能位和全局中断屏蔽位(INTM)被使能时才会响应中断申请。（3） F2812的外设。由于C281xDSP集成很多内核可以访问和控制的外部设备，28xx内核需要通过某种方式来读或写外设，为此处理器将所有的外设都映射到数据存储器空间上。每个外设被分配到一段相应的地址空间上，主要包括配置寄存器、输入寄存器、输出寄存器和状态寄存器。每个外设只要通过简单的访问存储器中的寄存器就可以使用该设备，外设通过外设总线(PBUS)连接到CPU的内部存储器接口上。跟总线接口连接的外设有事件管理器、SPI/SCI、CAN、Mcbsp、看门狗、ADC控制器、I/O寄存器、中断复位等。下面我主要说两个模块，CAN总线模块和ADC控制模块。CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一种多主方式的串行通信总线。F2812上的CAN总线接口模块是增强型的eCAN接口，其完全支持CAN2.0B总线规范协议，可以在有干扰的环境里使用上述协议，串行地与其它控制器通信。它有32个可配置的接受、发送邮箱，支持消息的定时传递邮件功能。最高通信速率可以达到1 Mbps，可以使用该接口构建高效可靠的CAN总线控制或者检测网络。ADC模块是将外部的模拟信号转换成数字信号。ADC模块有16个通道，可配里为两个独立的8通道模块，方便为事件管理器EVA和事件管理器EVB服务。两个独立的8通道模块也可以级联成为一个16通道的模块。尽管有丰富的输入通道和两个排序器，但是，ADC模块中只有一个转换器。在F2812芯片中，ADC模块是一个12位带流水线的模/数转换器，模/数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关（MUX）、采样/保持S/H)电路、A/D转换内核电压参考以及其他模拟辅助电路。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口。图2.3 TMS320F281X的功能框图（4） F2812映射空间。F2812存储器包括片上存储器和外部存储器接口两个部分。其所有存储空间采用统一寻址，从而提高了存储空间的利用率，方便程序的开发。低64KB地址存储器地址映射到240x处理器的数据空间，高64KB的存储器地址映射到24x/240x处理器的程序存储空间，与24x/240x兼容的代码只能定位在高64KB地址的存储区域执行。F2812片上有128K16位FLASH,16K16位的SRAM,4K16位的BOOTROM,1K16位的OTP ROM。 F2812包含两个单周期快速访问的存储器，M0和M1。每个空间的长度都是1K。M0映射到0x00 OOOOOx00 03FF, M1映射到0x00 0400Ox00 07FF空间。 M0与M1同时映射到程序空间和数据空间，因此，MO和M1既可执行程序也可存放数据变量。 F2812还包含了一块16K16位的单周期访问的RAM存储器,其分成三部分，分别是L0(4K)、 L1(4K)、H0(8K)。每个模块能独立访问，并且可以映射到程序和数据空间。2.4 TMS320F2812最小系统的设计DSP最小系统是保证DSP可以正常工作的最少硬件构成的系统。一个典型的DSP最小系统包括DSP芯片、电源电路、复位电路、时钟电路及JTAG接口电路。 1、电源电路为保证供电系统的可靠性，DSP系统一般采用多电源系统。本系统对电源部分电路采用降额设计，采用双电源为CPU、Flash、ROM、ADC和I/O接口供电。TMS320F2812是一个较低功耗芯片，其内核电压为1.8V，I/O电压为3.3V。本设计采用TI公司的TPS767D318电源芯片。该芯片属于线性降压型的DC/DC变换芯片，可以由外接5V电源同时产生两种不同的电压(3.3V和1.8V)，其最大输出电流为1A，可以同时满足一片DSP芯片和少量外围电路的供电需要。为了使输入电源更加稳定，对于前端输入的+5V电压，用47uF的电容对它进行滤波，同样为了使DSP的供电电源更加稳定，我对两片电源芯片的输出电源也做了滤波处理，分别在+3.3V和+1.8V处用10uF的电容滤波。其电源电路原理图如图2.4所示。图2.4 DSP的电源电路 2、时钟电路DSP和其他的微处理器一样，需要晶振才能正常工作。TMS320F2812处理器片上有基于PLL的时钟模块，该模块为芯片提供了所有必要的时钟信号，并且提供了低功耗方式的控制入口，PLL有4位倍频设置位，来选择不同的CPU时钟速率。 图2.5 系统的时钟电路 基于PLL的时钟模块有了两种操作模式，一种是晶振操作，另外一种是外部时钟源操作。由外部时钟源提供时钟信号，将外部振荡器输入到X1/CLKIN引脚F2812的主频最高可达到150MHz。如果外部时钟源也选择为150MHz，那么将对周边电路产生较强的高频干扰，从而影响系统的稳定性6。所以可以将一个较低的外部时钟源通过内部倍频的手段来达到DSP的工作频率。利用DSP内部的PLL锁相环，30MHz频率输入，利用PLL倍频至150MHz。其电路图如图2.5所示。3、复位电路复位电路在系统的电路设计中也是极为重要的。F2812芯片有两种复位方式：一种是芯片的复位引脚，另一种是看门狗定时器溢出。硬件的复位方式有两种:上电复位和按钮复位。刚开始给芯片上电时，F2812芯片处于复位状态。当F2812芯片的160管脚XRS#接地时，也起到复位的功效。系统中手动复位的电路如图2.6所示。其原理如下：当按钮SWl按下时，电容C上的电荷将通过按钮串联的电阻流失，使电容C上的压降变为为0，XRS#为低电平，系统复位器终止运行，PC指向地址0x3FFFC0；当按钮松开时，3.3V的电压开始对电容C充电，充电完成后，XRS#置为高电平，复位结束，实现了手动复位，程序从PC所指出的位置开始运行。注意复位电路的电阻不能太大，否则电流达不到要求，复位失败。图2.6 手动复位电路4、JTAG接口电路与单片机的应用系统相同，一个完整的DSP应用系统必须具有仿真器的标准接口，通过这个接口，用户可以通过PC调试、下载应用软件到指定的应用板。TI公司的DSP芯片提供片上仿真支持，设置了符合国际标准的JTAG逻辑测试口，使CCS软件能控制程序的运行并实时监视程序的活动。仿真器提供与主机通信的JTAG口，主机与目标DSP通信是通过JTAG接口来完成的，这种连接方式对DSP目标系统的实时性能并没有太大的影响7。其接口电路如图2.7所示。图2.7 JTAG接口电路设计2.5 A/D模块设计 A/D模块工作在级联方式，自动排序器控制所有通道的转换。在启动ADC转换之前，必须初始化转换的通道数(MAX_CONV1)并配置需要的转换输入信号对应的转换次序 (CHSELxx)，最终的转换结果存放到各自的结果寄存器(RESULT0RESULT15)中8。级联排序器采样操作方式分为两种：级联排序器顺序采样和级联排序器同时采样。本设计采用级联排序器顺序采样方式，两个8个状态排序器构成一个16状态排序器控制外部输入的模拟信号的排序。当前的CONVxx位域定义了将被采样和转换引脚(或者一对引脚)。在顺序采样模式时，CONVxx的4位全部用来定义输入的引脚。其中最高位MSB确定采用哪个采样/保持缓冲期，后三位定义了偏移量。本系统采用TMS320F2812芯片的片内A/D接口来实现对信号的数据采集。 它与传统A/D相比，嵌入式A/D具有以下几种特点：在配置好A/D模块的硬件资源之后，用户可以随时用软件指令启动A/D模块进行采样，并获得A/D转换的数据结果9。与传统A/D不同的是，采集功能单元的硬件资源配置有一部分是需要通过软件来完成的。为获得更高精度的模数转换数据结果，正确的PCB板设计是及其重要的。连接到ADCINXX引脚的模拟电路输入信号线要尽可能地远离数字电路输出信号线。为减少数字信号的转换所产生的耦合干扰，需要将ADC模块的电源输入与数字电源相互隔离。TMS320F2812虽然有12位精度，但在实际使用中，我们发现，ADC的转换结果误差较大。由于F2812内部自带的12位A/D转换器自身的增益和偏移误差，A/D转换器的绝对精度受到限制。我们可以从硬件方面来提高精度，方法有以下几种:(l)硬件滤波，滤出干扰信号;(2)电路板布线时注意不要让ADCINxx引脚运行在靠近数字信号通路的地方，这样可以使藕合到ADC输入端的数字信号开关噪声大大降低;(3)采用适当的隔离技术，将ADC模块电源引脚和数字电源隔离;(4)如果采样电路是通过多路开关切换的，可以在多路开关输出上接下拉电阻到地。(5)为ADCLO引脚提供一条低阻抗的路径，通常需要保证F2812芯片的ADCLO直接接到模拟地。2.6 CAN模块的设计 本系统采用TMS320F2812芯片自带的增强型eCAN作为CAN模块控制器，使DSP方便的介入到CAN总线中来，不必再外加CAN控制器来实现CAN总线的底层协议。eCAN接口电路如图2.8所示。 图2.8 eCAN接口电路其中，TMS320F2812 DSP芯片的CAN管脚接CANTXA和CANRXA，CANH和CANL接外部CAN总线。F2812DSP芯片内的CAN控制器必须通过CAN驱动芯片才能与外部的CAN控制器来进行通信。本设计的CAN总线收发器是采用TI公司生产的3.3V芯片SN65HVD230，其符合CAN总线结构标准ISO 11898，可以选择其用来作为DSP的CAN控制器和物理总线之间的接口。该芯片具有较强的抗干扰能力、导线交叉保护、掉地保护、过压过热保护和宽工作范围的特点。TMS320F2812 DSP芯片集成的CAN总线控制器配合总线收发器SN65HVD230至少可以连接110个节点，可提供高达1 Mbit/s的数据传输率10。系统将其引脚8(RS)接地来选择高速工作方式。在传输线的两端并联1个120的匹配电阻，来克服长线效应，减小通讯介质中的信号反射。2.7 数字滤波器的选择与设计一般来说，时域信号含有各种频率成分。所谓滤波器是一类系统，它能使输入信号中某些频率成分充分的衰减，同时保留那些需要的频率成分。1、数字滤波器的分类与选择数字滤波器是将输入序列通过一定运算后变换为输出信号序列，从而完成滤波功能。因此，数字滤波器就是一个数字系统（离散系统），而且一般情况下还是线性时不变系统。与模拟滤波相比，数字滤波具有很多突出的优点：它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波无法克服的电压漂移、温度漂移和嗓声等问题。而且精度可以达到很高，并容易集成。 在数字信号处理中，滤波有极其重要的作用，它通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的。几乎，每一科学和工程领域例如声学、物理学、通信、数据通信、控制系统和雷达等都涉及信号。在许多应用中都希望根据期望的指标把一个信号的频谱加以修改、整形或运算11。这些过程都可能包含衰减一个频率范围，组织或隔离一些频率成分，用数字滤波器来实现这些功能是方便、有效、可行的。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波器总的来说可以分为两大类。一类是经典滤波器输入信号中的有用成份和希望滤除的成份占用不同的频带，通过适当的选频滤波器可实现滤波；另一类是现代滤波器，其输入信号中有用信号和希望滤除的乘法频带交叠。主要从含有嗓声的数据记录中估计出信号的某些特征或信号本身。主要有维纳滤波器、自适应滤波器等。数字滤波器从频域上可分为低通、高通、带通、带阻四种滤波器。从时域上以分为有限冲激响应数字滤波器（FIR)和无限冲激响应数字滤波器 (IIR)。对于有限冲激响应数字滤波(FIR)，其输出y（n）只取决于有限个过去和现在的输入x(n), x(n-1) .x(n-m)；对于无限冲激响应数宇滤波(IIR)，它的输出不仅取决于过去和现在的输入，还跟过去的输出有关。低通滤波器的作用是允许低于截至频率的信号通过，但高于截至频率的信号不能通过，高通滤波器则正好相反，带通滤波器则是可以抑制一定频带间隔外的所有信号，而频带内的信号通过时基本不变。在自动化领域，大多使用低通滤波器，某些特定场合需要带通滤波器，例如音响装置的频谱分析器。 FIR滤波器有如下特点： (1)FIR滤波器的单位脉冲h(n)是有限长序列，因此FIR滤波器没有不稳定的问题； (2)可以在幅度特性随意设计的同时保证精确严格的线性相位能在整个频带上获得常数群时延，这正是零失真信号处理所需要的；(3) FIR滤波器可采用FFT算法实现，从而提高运算效率。(4) FIR滤波器一般为非递归结构，因此在有限精度运算下，不会出现递归型结构中的极限震荡等不稳定现象，误差较小： 要取得很好的衰减特性，FIR滤波器H(z)的阶次比IIR滤波器的要高。基于以上优点，我选择FIR滤波器。下面我设计了两种滤波器，分别为FIR低通滤波器和FIR带通滤波器。 2、数字滤波器的设计一般DSP芯片实现滤波器时，常常是先在Matlab中设计相应的滤波器得到滤波器的系数，再将系数输到编好的滤波器工程文件的相应程序中。如果进行汇编程序设计，需要对相应的系数进行Q格式转换处理。如在F2812上实现时，因为F2812是32位定点处理器，滤波系数需要采用Q31的格式，即将系数分别乘以2，再采用相关的汇编指令来实现FIR滤波器算法。但在调试仿真阶段，每改变一次滤波器参数，相关的系数就会改变，在 DSP程序中也要做相应修改，这给调试仿真带来很大麻烦，滤波器设计效率低。可以采用另一种方法：在Matlab中设计滤波器，仿真好后，将滤波器的阶数和系数数组写在头文中，在DSP文件中包含该头文件，便于采用C语言来实现程序。头件名不变，每当滤波器的参数改变头文件中的系数也随之改变，方便了调试仿真，大大缩短了DSP的开发周期。工程中比较常用的窗函数有：矩形窗、三角窗(Bartlett)、汉宁窗(Hanning)、海明窗(Hamming)、布莱克曼窗(Blackman).凯塞窗(Kaiser)。FIR滤波器在DSP上的实现步骤：（1） 在CCS软件中建立fir.pjt工程；（2） 在Matlab中利用滤波器设计、分析工具FDAtool,根据指定的滤波器性能快速设计的一个FIR滤波器；（3） 把生成的滤波器系数以头文件形式传到CCS软件的fir工程文件中；（4） 用C语言设计编写主程序fir.c,再利用汇编语言文件来定义中断服务程序；（5）在CCS中，编译连接，生成执行文件fir.out文件，并加载到目标DSP中。首先，设计了一个FIR低通滤波器。输入一个信号，含有两个正弦信号频率成分，其技术指标为通带截止频率为1500Hz，阻带截止频率为2000Hz，通带波纹为0.01，阻带波纹为0.1，采样频率为10000Hz，滤波器阶数为45阶。然后，我又设计了一个FIR带通滤波器，输入一个含有50HZ 、100HZ、80HZ的三个混合正弦信号，其参数如下：采样频率Fs=1000HZ,通带下限截止频率Fc1=70HZ,通带上限截止频率Fc2=84HZ,滤波器阶数为96。2.8 本章小结 对数据采集系统的核心接口电路系统设计进行叙述，对系统的总体方案进行概述，对DSP进行简单的介绍并讨论了对其芯片的选择，并简述了TMS320F2812芯片特性，对TMS320F2812最小系统进行设计，介绍了A/D数据采集原理，对eCAN总线模块进行说明设计，并对数字滤波器进行分类。第3章数据采集系统的接口电路设计和调试设计输入四路模拟信号,分别为01000V的直流电压、0400V的交流电压、010A的直流电流和010A的交流电流，均转换成03V的直流电压。根据TMS320F2812的性能指标，A/D采集模块要求输入的模拟电压的范围是0V-3V，所以经每个档位分压后输出的电压都必须小于3V，否则会烧坏DSP实验箱。再参照目前市场上万能表的分档原则，本文对电压的测量采用2V，20V，200V，1000V的四个档位，对电流信号的测量采用20mA，200mA，2A，20A的四个档位12。以下内容分别对信号的自动换挡模块、隔离电路模块，有效值转换模块进行设计，并分别对其硬件进行调试。3.1 直流电压接口电路的设计 直流电压的接口电路为自动换挡电路模块和隔离电路模块。1、电压自动换挡电路模块的设计 电压的自动换挡模块电路设计了三个方案，如下所示：方案一如图3.1示：图3.1方案一量程自动选择电路图(1)分压电路分析：如图3.1所示，被测交直流电压经过四路分压后分四路输出，其分压比为1:1，1:10，1：100，1:1000，分别对应2V，20V，200V，2000V的电压档。图中D1，D2为5V的稳压管，其作用是保证下级电路的输入端电压不会超过5V，D1稳定正电压，D2稳定负电压。分压后的绝对值低于2V的交流或直流电压进行正常分压并输出至下一级，分压后大于2V的电压则不必输出，当大于稳压管的反向击穿电压时，稳压管起作用13。R1，R2除了分压外，R1还具有限流作用。(2)档位判别电路：档位判别是以直流为依据。所以被测电压输入后，先进行平均值转换，利用二极管对输入信号整流取得半周期电压，再通过低通滤波器获得平均值电压输出。由于二极管的非线性，造成了整流后的半周期电压与输入信号的关系也是非线性的，但由于变换出的直流不是用来显示，而是用于换档，转换出的直流电压不需十分精确。适当调节比较器的分压比，使之满足直流换档和交流换档的双重要求。自动量程电压表的设计方针为粗略换档、精确测压，粗略换档没有牺牲精度，但是却换来了电路设计的简单、实用以及全量程自动电压表的自动换档。该电压经档位判别电路后最终形成档位判别信号A0，A1。具体关系如表3.1所示，该方案已经综合考虑到交流的平均值与直流电压值的差异。比较器电路如图所示，三路比较器用来判断被测电压是否大于0.2V，2V，20V，其对应比较输出分别为Q0，Q1，Q2，当大于对应值时输出为1，否则为0。在判别信号Q0，Q1，Q2经过译码电路后形成控制信号A0，A1，模拟开关CD4052在A0，A1的作用下对应输出其中一种电压。同时，A0和A1连接到DSP的I/O口上，通过A0和A1的高低电平信号来确定最后显示的数值所需要乘以的系数。表3.1档位关系表Q0V20为1Q1V2为1Q3V0.2为1A0A1档位000002V0010120V01110200V111112000V注：1表示高电平，0表示低电平。方案二如图3.2所示：(1)分压电路分析：如图2.3所示，被测交直流电压经过五路分压后分五路输出，其分压比为1:1，1:10，1：100，1:1000，1:10000分别对应200mV，2V，20V，