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(机械设计及理论专业论文)基于dsp的传感器智能化研究与系统设计.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
基于d s p 的传感器智能化研究与系统设计 研究生姓名 冯亮 导师姓名 王兴松教授 学校姓名 东南大学 摘要 传感器技术是工业自动化的关键技术之一 随着数字信号处理器 d s p 和接口通讯技术的不 断发展 传感器技术正向着智能化的方向发展 智能传感器系统是传感器技术和计算机技术相结合 的产物 它不仅能够完成传统意义上的信号转换 并且还被赋予了数据处理 自动控制和总线输出 等诸多功能 大大提高了可靠性 灵活性和应用范围 智能化是传感器技术发展的必然趋势 本文阐述了基于d s p 技术的传感器智能化研究与系统设计 分别以光栅线位移传感器 二维位 置敏感探测器 p s d 和电涡流式位移传感器为对象进行了探讨 论文深入研究了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号控制和三种传感器的工作原理 对传感器系统的总体功能进行了规划 详细论述了各个传 感器系统智能化设计中的关键问题和解决方法 经过系统分析 芯片选型 软硬件设计和系统调试 最终实现了三个传感器系统 在硬件方面 本文针对三个传感器设计并开发了相应的基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的传感器系统扩展硬 件 其主要功能模块包括信号调理模块 a d c 模块 d a c 模块和显示模块 在软件方面 本文详细介绍了d s p 程序的c 语言设计和开发方法 并针对每个传感器系统开发 了相应的d s p 软件 本文还对通用串行总线 u s b 进行了研究 采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和c y 7 c 6 8 0 0 1 设计实现了 u s b 2 0 接口 编写了固件程序和w i n d o w sx p 系统的功能驱动程序 使得智能传感器系统具备u s b 总线传输功能成为可能 关键词 传感器 智能化 数字信号处理器 通用串行总线 d s p b a s e di n t e l l i g e n ti n t e r f a c ef o rs e v e r a l d i s p l a c e m e n ts e n s o r s b y f e n gl i a n g s u p e r v i s e db yp r o f w a n gx i n g s o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h es e n s o rt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n d u et ot h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d s p a n dt h eb u si n t e r f a c et e c h n i q u e s e n s o r sa r ea b l et o b e c o m em u c hm o r ei n t e l l i g e n t t h es m a r ts e n s o rs y s t e mi st h ec o m b i n a t i o no ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y a n ds e n s o rt e c h n o l o g y n o to n l yc a ni tt r a n s f e rs i g n a l s b u ta l s oi th a sv a r i e t i e so fa d d i t i o n a lf u n c t i o n ss u c h a sd a t ap r o c e s s a u t o m a t i cc o n t r o la n de x t e r n a lb u s a sar e s u l t s e n s o r sa r ei m p r o v e dw i t hb e t t e r p e r f o r m a n c e so fr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y t h es e n s o r si n t e l l i g e n t i z e dr e s e a r c ha n ds y s t e md e s i g nb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra r e i l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r s e v e r a lm e t h o d sa r ei n v e s t i g a t e dt od e v e l o pi n t e l l i g e n ts y s t e m sf o rt h eg r a t i n g l i n e a rs e n s o r t h ep o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o ra n dt h ee d d yl i n e a rs e n s o rr e s p e c t i v e l y t h ep a p e rd e e p l y r e s e a r c h e st h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pa n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h et h r e es e n s o r s a n dt h e nd e s c r i b e st h e c r i t i c a lp r o b l e m sa n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n si nd e t a i l f i n a l l y t h et h r e es e n s o rs y s t e m sa r er e a l i z e da f t e r s y s t e ma n a l y s i s c h i p ss e l e c t i o n h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n i nt h ew o r ko fh a r d w a r e t h es y s t e m sf o rt h et h r e es e n s o r sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do nt h e t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s et h es y s t e m sa r em a i n l yc o m p o s e do fs e v e r a lm o d u l e si n c l u d i n gs i g n a lp r o c e s s m o d u l e a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l e d i g i t a l t o a n a l o gc o n v e r s i o nm o d u l ea n dd i s p l a ym o d u l e i nt h ew o r ko fs o f t w a r e s t a n d a r dd e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo ft h ed s pp r o g r a mi ncl a n g u a g ei s i n t r o d u c e da n dd s ps o f t w a r ef o re a c hs e n s o rs y s t e mi sw o r k e do u t b e s i d e s t h ep a p e rr e s e a r c h e st h eu n i v e r s a ls e r i a lb u s a n dd e s i g n e dt h eu s b 2 0i n t e r f a c eb a s e do n d s p w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ef i r m w a r ea n dd e v i c ed r i v e rf o rw i n d o w s x p k e y w o r d s s e n s o r i n t e l l i g e n t d s p u s b i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它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论文中作了明确的说明 并表示了谢意 研究生签名 越e t期 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研 究生院办理 研究生签名 z 丕缸 导师签名 第1 章 绪论 第1 章绪论 1 1 传感器技术的应用和发展概况 1 1 1 传感器的定义和作用 在工程和科学研究中 传感器 t r a n s d u c e r s e n s o r 的定义是 能感受规定的被测量并按一定规 律转换成可用输出信号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 其中 敏感元件 s e n s i n g e l e m e n t 是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分 转换元件 t r a n s d u c t i o ne l e m e n t 是传感 器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 根据这个定义和传感器技术的内涵 传感器应当从三个方面来理解与把握 即 1 传感器的作用 体现在测量上 获取被测量 是应用传感器的目的 2 传感器的工作机理 体现在其敏感元件上 敏感元件是传感器的主要构成部分 通常直接决 定了传感器的特性 3 传感器的输出信号 体现在其适丁二传输或测量的电信号上 输出信号时需要解决非电量向电 信号转换 不适于传输或测量的微弱电信号向适于传输与测量的可用电信号转换以及信号的加 工处理等技术问题 反映了传感器技术在自动化技术领域的时代性 由此可见 传感器的作用就是测量 在自动化技术日益成熟 应用日益广泛的今天 机械制造 加工和装配等一系列过程正在向无人化 智能化和全自动化的方向发展 而要实现自动化的第一步 就是测量 自动化中的测鼍就是通过传感器来实现的 传感器就是自动化系统中的 电五官 可见 传感器技术是信息获取和处理的首要环节 没有传感器 就不能实现测量 没有测量 就没有科学 就没有技术 因此 传感器技术在任何时候都是重要和必要的 1 1 1 1 2 传感器技术的发展现状 如果仅从传感器的作用来看 即从测量的角度考虑 传感器的历史十分久远 可以说伴随着人 类的文明进程 传感器技术 测量技术 的发展程度 影响 决定着人类认识世界的程度与能力 人类认识到的客观世界就是能够利用各种各类的传感器技术测量到的范围与程度 但是传感器真正 在科学研究领域得到飞速 广泛和真正意义上的应用 则是在人类发现并掌握了电现象以后 尤其 是2 0 世纪以来 随着半导体技术和计算机技术的发展才逐渐发展起来并形成一个重要的科学分支 的 近些年来 传感器技术和通信技术以及计算机技术一同构成了现代信息技术的三大技术基础 即信息的获取 信息的传输和信息的分析处理 它们分别构成了信息技术系统的 感官 神经 和 大脑 因此 目前许多国家都把传感器技术列为重点发展的关键技术之一 美国曾把2 0 世纪8 0 年代 看成是传感器技术时代 并列为2 0 世纪9 0 年代2 2 项关键技术之一 日本把传感器技术列为2 0 世 纪8 0 年代1 0 大技术之首 从2 0 世纪8 0 年代中后期开始 我国也罢传感器技术列为国家优先发展 的技术之一 可见 我国的传感器技术起步较晚 跟美国 日本等一些国家还有一定差距 因此 对传感器进行相关技术研究对于提高我国的自主创新能力和核心竞争力具有相当重要的意义 1 传统的传感器仅是在物理层次上进行分析和设计 其功能原理如图1 1 所示 随着微处理器技 术的进步 传感器在发展与应用过程中越来越多的与微处理器相结合 使传感器不但有视觉 触觉 听觉 味觉 还有了存储 思维和逻辑判断能力 美国宇航局 n a s a 在开发宇宙色船过程中最 早提出智能传感器 s m a r ts e n s o r 或i n t e l l i g e n ts e n s o r 的概念 目前 传感器技术正在向智能化方 1 东南人学硕 j 学位论义 向发展 并且除了在航空航天和军事领域中 在j 业白动化 医疗和生物等领域也有了j 泛应川 l 感嚣f 囊o l 诵 i l i l 也g 磊 馆 j 轮 i 图1 1 传统传感器功能框图 所谓智能化传感器就是将传感器获取信息的基本功能与专用的微处理器的信息分析 处理功能 紧密结合在一起 并具有诊断 校止和数据通信等新功能的传感器 由f 微处理器具有强大的计算 与逻辑判断功能 故可以方便地对数据进行滤波 变换 校正补偿 存储记忆 输出标准化 甚至 具有标准通信协议的总线式输出模式 等 近 年来 伴随着微处理器技术的大力发展 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 技术 f p g a f i l e d p r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y 技术 蓝牙 b l u e t o o t h 技术等在测控技术领域都获得了 成功的应用 从而为智能化传感器不断赋予新 的内涵与功能 与传统传感器不同 智能化传 感器不仅仅是一个简单的传感器 还具有一些 附加的新功能 如图1 2 所示 下面是智能化 传感器的一些主要新功能 1 自补偿功能 如非线性 温度误差 响应 时间 噪声 交义耦合干扰以及缓慢的时 漂等的补偿 2 自诊断功能 如在接通电源时进行自检 在工作中实现运行检查 诊断测试 以确 定哪一组件有故障等 3 双向通信功能 微处理器和基本传感器之 间具有双向通信的功能 构成一个闭环工 作模式 传感器可以在微处理器的控制下 工作 4 信息的存储和记忆功能 5 数字量输出或总线式输出功能 图1 2 智能传感器功能框图 智能传感器依其功能可划分为两个部分 即基本传感器部分和信号处理单元部分 这两部分可 以集成在一起实现 形成一个整体 封装在一个表壳内 也可以远距离实现 特别在测量现场环境 比较差的情况f 有利于电子元器件和微处理器的保护 也便于远程控制和操作 采用整体封装式 还是远离封装式 应由使用场合和条件而定 1 2 1 1 1 3 传感器的智能化方法 智能单元 微处理器 在智能传感器中发挥了十分重要的作用 是智能传感器的核心 传感器 所接受到的信号经过一定的硬件电路处理后 以数字信号形式进入微处理器 并应用驻留其中的软 件 实现对测晕过程中的各种控制 逻辑和数据处理以及信号输出等功能 从而实现传感器智能化 常用的传感器智能化方法主要有以下几种 1 实现数据处理功能 非线性校i i 技术 2 第1 章 绪论 自校零与自校准技术 噪声抑制 滤波 温度补偿等 2 实现自动控制功能 键盘控制功能 量程自动切换 多路或多路通道切换 数据极值判断与超限报警 自动诊断 在本论文中 作者就采用了上述一些智能化方法对原有的基本传感器进行了改进 使其具备了 智能传感器的一些特性 这些工作将在后续章节中详细讨论 1 2d s p 技术特点及其在智能传感器中的应用 1 2 1 数字信号处理器简介 数字信号处理有两种解释 广义上讲是指数字信号处理技术 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 狭义的 讲是指数字信号处理芯片 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 前者是理论上的数学运算方法 自1 9 6 5 年由 c o o l e y 和t u k e y 提出d f t 离散傅里叶变换 的高效快速算法以来 已有近4 0 年的历史 而后者 是实现这些方法的一类专门芯片 随着数字信号处理芯片的快速发展 应用越来越广泛 d s p 这一 英文缩写已被大家默认为数字信号处理器的代名词 1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片 这种d s p 器件采用微米工艺n m o s 技术制作 运算速度 比m p u 快几十倍 d s p 芯片的问世是个里程碑 它标志着d s p 应用系统由大型系统向小型化迈进 了一大步 8 0 年代中期 随着c m o s 技术的进步与发展 第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运 而生 其存储容量和运算速度都得到成倍提高 8 0 年代后期 第三代d s p 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 9 0 年代d s p 发展最快 相继出现了第四 代和第五代d s p 器件 现在的d s p 系统集成度更高 将d s p 内核及外用设备集成在单一芯片上 这种集成度极高的d s p 器件也越来越多的应用到工业自动化 通信 便携式数码产品当中 其应用 价值也日益显现出来 越来越引起国内外科研院所和企业的高度重视 已成为当代最有发展潜力的 技术 产业和市场之一i j j 图1 3t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 数字控制系统平台 3 东南人学硕 学位论文 目前世界上有许多厂商致力rd s p 芯片的研发和制造 包括t i m o t o r o l a a d i 等 其中1 r i 公司拥有4 0 的市场份额 牢牢 i 据了d s p 行业的领导地何 其产品的性能 种类和所覆盖的领域 也是其他同行企业难以望其项背的 针对不同的应用领域 t i 公司推出了三大d s p 平台 用户可 根据需要米选择合适的器件 这二种平台分别是 最佳控制平台 州s 3 2 0 c 2 0 0 0 d s p 平台 最 低功耗平台 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 t m d s p 平台和最佳性能平台 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 d s p 平台 图1 3 所示的就是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 平台的d s p 产品系列 本文中采用的就是该平台中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片 1 2 2d s p 技术的主要特点 d s p 芯片具有适合实现数字信号处理算法的硬件结构 数字信号处理任务通常需要完成大量实 时计算 如数字信号处理中常用的f i r 滤波和f f t 算法 数字信号处理中的数据操作具有高度重 复的特点 乘加操作 y a b c 在滤波 卷积和阡t 等常见d s p 算法中尤其用得多 d s p 芯 片在很大程度上就是针对上述运算特点设计的 与通用微处理器相比 d s p 在寻址和计算能力方面 作了扩充和增强 在相同的时钟频率和芯片集成度下 d s p 完成f f r 算法的速度比通用微处理器 要快2 3 个数量级 d s p 芯片在结构上有以下的特点 1 采用哈佛总线结构 h a r v a r db u s a r c h i t e c t u r e 这种结构不同于传统的冯 诺依曼结构计算机 它采用多条总线在c p u 和内存与外设之间进行 数据交换 即程序空间与数据空间的地址与数据总线互相分离的结构体系 这使得可以同时从程序 空间和数据空间进行寻址和数据读写 如t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的内部采用了6 条总线 分别是 程序 地址总线 程序读数据总线 数据读地址总线 数据读数据总线 数据写地址总线和数据 程序写数 据总线 因此 在单周期内可以同时完成读指令 读数据和写数据操作 大大提高了总线的吞吐量 提高了程序的执行速度 2 指令流水线操作 p i p e l i n eo p e r a t i o n 指令流水线操作是指c p u 将一条指令的执行分为若干相位 并由不同的硬件单元负责执行某一 相位 实现在同一时刻c p u 可重叠执行若干指令 这些指令处于不同的相位 从而提高程序运行的 速度 如t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 的c p u 将指令执行分为8 个相位 分别为f e t c h l f e t c h 2 d e c o d e l d e c o d e 2 r e a d l r e a d 2 e x e c u t e w r i t e 这就意味着可以同时运行8 条指令 并有读写竞争冲突保护 和分支指令处理 大大提高了c p u 运行指令的能力 3 1 专用的硬件乘法器 m c u 在一般的计算机上 算术逻辑单元 灿 只能完成两个操作数的加 减和逻辑运算 而乘法 和除法则由加和移位操作来实现 但在大量的数字信号处理算法中 例如 i i r f i r 滤波 f 兀 w t 小波变换 都要用到大量的乘法操作 而乘法运算的速度一直都是数字信号处理实现中的一 个瓶颈问题 一般的计算机仅仅依靠加和移位来实现数字信号处理 这无疑要付出很人的时间代价 但d s p 用硬件乘法器完成乘法运算 并且乘法运算能在一个指令周期内完成 这大大缩短了程序 实现算法所花费的时间 总之 d s p 芯片在硬件结构上为进行快速精确的数字信号处理运算做好了准备 除此之外 d s p 的一些指令和寻址方式也是专门为各种运算的快速完成而精心设置的 如 段循环指令 累加 指令 并行指令 循环寻址方式 c i r c u l a r a d d r e s s i n g 位反寻址方式 b i t r e v e r s e a d d r e s s i n g 等 d s p 在硬件和软件上的这些特点为数字信号处理技术在各方面的 泛应用打开了方便之门 3 引 1 2 3d s p 技术在智能传感器中的应用 在智能传感器中 微处理器扮演了智能单元的作用 能够控制测量过程并进行数据处理 这就 要求微处理器具有很强的控制功能和数据处理能力 而d s p 芯片正是为尽可能高效地进行数字信号 4 第1 章 绪论 处理应运而生的 它的技术特点决定了它在智能传感器中具有极为重要的作用其至不可替代的地位 随着d s p 技术的不断发展 它在智能传感器领域中的应用会越来越广 特别是在一些对实时性或精 度要求很高的场合 例如 用于自动控制 雷达 航空航天测控 生物医学等领域的许多系统对传 感器的实时性和精度都要求很高 而现在的通用c p u 和传统的微控制器在很处理较为复杂的运算时 却显得力不从心 远远比不上d s p 芯片在这方面的性能 d s p 实际上是一类微型计算机 它的任务 可以覆盖从数据采集剑数据处理再剑数据传输 如果根据d p s 本身的特点 把d s p 和传感器集成 到一起成为智能传感器 不仅能够变换 采集信号 并能够做数据分析处理的 r 作 那么计算机得 以这项最耗时最复杂的工作中解脱出来 专注于完成系统的统筹调配 数据的简单整理 存储和显 示等工作 整个系统的性能则会大大提高 正是由于d s p 自身众多独一无二的优势 才使得其能够在智能传感器中的应用中大放异彩 德 州仪器首席科学家g e n ef r a n t z 表示 数字信号处理器 d s p 将推动众多新型下一代产品的发展 其中就包括带有模拟一a i 人工智能 能力的 智能传感器 h j 1 3u s b 总线技术特点及应用 1 3 1u s b 简介 u s b u n i v e r s a ls e r i a lb u s 中文名称为通用串行总线 是一种应用在计算机领域的新型接口技 术 最早是由c o m p a q h p i n t e l l u c e n t m i c r o s o f t n e c p h i l i p s 七家公司于1 9 9 4 年1 1 月1 1 日共同提出的 即u s b 总线规范0 7 版本 这标志着u s b 的正式诞生 但当时它还不够完善 用 户也很少 直到1 9 9 6 年1 月1 5 日 u s b l 0 版本发布后 u s b 技术才相对成熟 在w i n d o w s9 5 的 o s r 2 1 版公布后 它才首次在p c 机上使用 而且u s b 接口的外设也很少 但是1 9 9 8 年6 月w i n d o w s 9 8 和同年的u s b l 1 版本发布后 情况就不同了 u s b 开始变成一个流行的接口 市场上也出现了 大量的u s b 外设 但其传输速度仅限于1 2 m b s 2 0 0 0 年4 月2 7 日 u s b 2 0 版本发布 其传输速 率提高到4 8 0 m b s 这使其能应用于更广泛的场合 它已经逐步成为p c 机的一个标准接口 在主 机 h o s t 端 最新推出的p c 机几乎1 0 0 支持u s b 而在外设 d e v i c e 端 使用u s b 接口的设备 也与日俱增 例如数码相机 扫描仪 游戏杆 图像设备 打印机 键盘 鼠标等 不过u s b 并没 有因此而停下发展的脚步 新一代的u s b 接口标准u s b 3 0 呼之欲出 传输速度将达到u s b 2 0 的 十倍 因此可以预见 u s b 的应用肯定会越来越广泛 其传输速率也会越来越高1 5 1 u s b 设备之所 以会被大量应用 主要具有以下优点 1 热插拔 用户可以把u s b 外设连接到一台正在运行的p c 机上 操作系统能自动识别 并且 用户可以立即使用 而不需要重新启动p c 机 用户也可以在任何时候断开u s b 外设 而不管计 算机是否在运行 这都不会损坏p c 机和外设 这比p c i i s a 等插卡式设备更便于使用 即插即用 u s b 实现了自动配置 它不需要用户手工配置f o 地址和中断请求 i r q 当u s b 外设接入p c 机时 操作系统会自动检测到这个连接 并加载合适的驱动程序 如果是外设的第一 次连接 操作系统可能会需要用户为其选择合适的设备驱动程序 除此之外所有的安装都是自动的 3 传输速率高 u s b 2 0 支持三种类型的传输速率 1 5 m b p s 的低速传输 1 2 m b p s 的全速传输和 4 8 0 m b p s 的高速传输 和其他老式p c 通信接口 如串行口 相比 u s b 的传输速率有了很大的 提高 能够满足多数情况下的数据传输需求 4 兼容性好易于扩展 u s b 2 0 标准向下兼容u s b1 1 标准 因此用户就避免了由于兼容性而引 起的问题 从而使u s b 设备今后不会被搁置一旁 保护了用户的利益 u s b 端口支持多个外设的 连接 采用星形总线拓扑结构 通过u s b 集线器 一个u s b 主控制器上最多可以连接1 2 6 个外 设 5 接口方便 u s b 接口小且薄 占用空间小 适合于对体积有要求的便携式设备 此外u s b 接 口的外型有两种 种是止常接口 一种是m i n i 接口 适合在体积较小的设备上使用 5 东南人学硕 j j 学位论文 1 3 2u s b 存智能传感器中的应用 智能传感器的一个重要特点就是具有总线式输出功能 即通常所说的总线接口 以便同系统中 的其它设备 主要是p c 机 进行通信 从而能够接收命令和上传数据 使得传感器的应用更加灵 活 功能更加强大 目前市面上的p c 机大多支持多种不同的总线接口 因此 总线接口的选用就 成为智能传感器设计中的一个关键问题 相对于老式的p c 机总线接口 如并行总线接e l 串行总线接口 p c i 内部总线接1 3 等 u s b 总线接口为智能传感器提供了一个费用低廉且简单易用的方案 u s b 在传统的串口技术之上迈出了 一大步 其特色主要包括更快的速率 热插拔功能 内嵌式操作系统配置 还有多点布线技术 这 一技术使同一个端1 2 可以连接多个设备 另外 u s b 强大的数据传输功能也是其它接口不可比拟的 u s b 不仅能够提供较高的数据传输速度 u s b 2 0 的高速传输可达4 8 0 m b p s 并且可根据不同需要 选择不同的传输方案 如等时传输方式为实时性要求较高的数据传输提高了理想的解决方案 而对 于数据准确性要求较高的传输则可以选择具有自动纠错和重发功能的批量传输方式 随着u s b 技术 的不断发展 越来越多的p c 外围设备都具有u s b 接口 因而智能传感器上采用u s b 接口也是大 势所趋 5 1 1 4 课题的主要任务和内容 在深入理解各种传感器的工作原理和智能化传感器的设计方法 以及对d s p 技术和u s b 技术 进行了深入研究的基础上 本课题对传感器的智能化进行了相关研究 并主要完成了两项工作 一 是对三种常见的基本传感器的智能化改进 主要体现在信号处理部分加入了微处理器单元 d s p 并针对不同传感器实现了相应的控制功能和数据处理功能 二是对利用u s b 接口进行数据传输进行 了较为深入的研究 并取得了一定成果 本课题的主要工作如下 1 1设计并实现了基于d s p 的光栅线位移传感器系统 通过d s p 片内a d c 和正交编码脉冲 q e p 电路采集光栅传感器的输出信号 将原有的传感器分辨率提高了2 0 0 倍 达到了0 批m 并能在任 意位置设定相对零位 实现正 反向测量 2 1设计并实现了基于d s p 的二维位置敏感探测器 p s d 微位移测量系统 通过a d 7 8 6 5 采集p s d 传感器的输出信号 对信号做相应处理后进行位置解算 消除暗电流的影响 得到高精度的二维位 置坐标 并显示在l e d 数码管上 3 设计并实现了基于d s p 的电涡流传感器系统 通过a d 7 8 6 5 采集电涡流传感器的输出信号 应 用分段线性拟合的方法实现了非线性校正 并将校正值显示在l e d 数码管上 有效地提高了传感器 的线性范围 4 1设计并实现了基于d s p 和c y 7 c 6 8 0 0 1 的u s b 接口 实现了在d s p 与p c 机之间进行数据传输 的功能 使得智能传感器具有u s b 总线接口成为可能 在硬件设计方面 作者独立完成了上述工作中各传感器系统中的信号调理模块设计 a d 输入 通道模块设计 d a 输出通道模块设计 此外还完成了u s b 计算机接口模块设计 设计完成了原理 图和p c b 图的制作 并加工出p c b 电路板 设计j 具采用的是p r o t e l d x p 在软件设计方面 作者独立完成了传感器系统中的d s p 数据处理程序 u s b 系统中的d s p 固 件程序 主机驱动程序和应用程序设计 其中d s p 程序采用的开发工具是盯公司的c o d ec o m p o s e r s t u d i o 驱动程序开发采用的是微软公司的d r i v e r d e v e l o p m e n tk i t d d k 和v i s u a ls t u d i o6 0 c 6 第2 章 d s p 芯片选型及开发方法 第2 章d s p 芯片选型及开发方法 根据课题实际应用的需求 从运算速度 运算精度 片内硬件资源 功耗 开发调试工具 价 格 可用的开发资源等角度出发 选择了1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器芯片作为智能传 感器的微处理器单元 该芯片是t i 公司推出的一种面向运动控制和嵌入式系统设计的高性能数字信 号处理器 所以通常称之为数字信号控制器 它不仅具有强大的运算能力 还兼备出色的控制功能 本章讨论t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号控制器的硬件结构和相应开发方法 2 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器 2 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部结构 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国德州仪器 1 1 公司推出的基于数字运动控制t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列的3 2 位 定点数字信号控制器 具有强大的控制和信号处理能力 能够实现复杂的控制算法 该器件集成了 多种先进的外设 为工业自动化领域的应用实现提供了良好的平台 6 l 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号控制器具有以下特点 采用高性能静态c m o s 工艺技术 专最高工作频率可达1 5 0 m h z 6 6 7 n s 时钟周期 专 低功耗 1 8 v 内核电压 1 3 5 m h z 1 9 v 内核电压 1 5 0 m h z 3 3 v i o 电压 边界扫描接口 支持基于m g 接口的调试方式 高性能3 2 位c p u 专支持3 2 位乘法累加运算 专哈佛总线体系 4 m 线性程序 数据寻址空间 专 高效的代码转换功能 支持c c 和汇编 大容量片上存储器 专f l a s h 存储器 1 2 8 k 1 6 b o o tr o m 4 k 1 6 专 i j d 和l 1 2 块4 k 1 6s a r a m 专h 0 8 k 1 6s a r a m 专m o 和m 1 2 块1 k 1 6s a r a m o t pr o m 1 k 1 6 可配置的外部存储空间接口 专高达1 m 外部寻址空间 专可编程等待周期 专 可编程读 写选择时序 专三个独立的片选信号 灵活的时钟和系统控制 专支持动态改变锁相环 p l l 的倍频系数 专片上振荡器 专看l j 狗定时模块 w a t c hd o gt i m e r 三个外部中断 x i n t l x i n t 2 n m i 7 东南人学硕i j 学位论文 外设中断扩展模块 p i e 支持4 5 个外没中断 5 6 个具有功能复川的通朋输入 输出端口 g p i o 丰富的片上外没资源 专2 个独立的事件管理器e v a 和e v b 每个都包含如 卜 资源 2 个1 6 为通j 丑定时器 3 个比较单元 8 个1 6 位脉宽调制 p w m 通道 3 个可捕捉外部事件的捕获单元 2 个正 交编码脉冲 q e p 电路 专1 2 位2 8 通道a d c 8 0 n s 转换时间 量程0 v 一 3 v 专串口通信外设 s p i 两个s c i e c a n2 0 m c b s p 先进的仿真和调试功能 专分析和断点功能 专硬件支持实时仿真功能 图2 1 是t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列d s p 的功能结构框图 其中t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 没有r o m 且f l a s h 存 储器大小为1 2 8 k r a m 大小为1 8 k i j 8x i h 千f s 鲋b 妇d eo n h ef 2 0 2 神cc 2 3 2 船钳衍5o r l y c 衍c 2 8 x d e vc e s 铂e o t p sr e p t a c e d 神咖矗 ky 00 0 c i o f r o m 图2 1t m s 3 2 0 c 2 8 数字信号控制器结构图 8 第2 章 d s p 芯片选型及开发方法 2 1 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 存储空间映射 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有片上存储器 o n c h i pm e m o r y 和片外存储器接口 e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e 无论是片内还是片外的存储器 都统一映射到程序地址空间和数据地址空间 即片内片外存储器统 一编址 既可以用来存放程序 也可以用来存放数据 并不独立开来 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的存储器空间 映射示意图如图2 2 所示 缮 f f f 地l 女 o x 0 00 0 0 0 o x 0 00 4 0 0 0 x o o o c 咐 o x 0 0 0 珩0 o x o e 0 x 0 06 0 0 0 o x 0 07 0 0 0 0 x 8 f x m i x 0 09 0 0 0 0 x 3 d j i 0 0 0 0 x 3 1 葚e i o o n h i pm e m o r y e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e 数捌中勰矽i 吁 4 f j j敏笋 中期 p 簪 i f j j m os a r a mri k 1 6 l m ls a r a m i k 1 6 p e r i p h e r a li r a m eo r e s e r v e d 靴 v e e t o rt a b l e 袅p s 骷e d r c s e r v e d x i t f z n n e 0 7g k 1 6j r 耐 x i t fz o n 扛if 8 k x1 6 j p e r i p h e r a lf r a m ei r e r e x v e d p e r i p h e r a l r a n l e2 l h 瓢 r v 耐 l o s a r a m 4 kz 1 6 1 is r a m 4 k 叫6 x t n l f z f n i 曩i5 i2 k 1 6 x l n l l l j i i 6 j 1 2 k 1 6 r e v e r v e d o i p l k 1 6 r e s e r v e d r e s c r v e d f l a s t ll s k 1 6 1 1 0s a r a mf8 k 一1 6 rc址rved x l n t fz o n 7fj 6 k x1 6 j o o tr o mf 4 k l f 图2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 存储器空间映射示意图 o x o o2 o o x o o i l x 船 o x f l 80 0 0 0 0 篡1 00 0 0 0 1 片内存储器 o n c h i pm e m o r y t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内共有4 m 存储器地址空间 地址范围从0 x 0 0 0 0 0 0 到0 x 3 f f f f f 这4 m 地址 空间被划分为若干区域并被相应的物理存储器占用 其中m 0 0 x 0 0 0 0 0 0 0 x 0 0 0 3 f f m 1 0 x 0 0 0 4 0 0 一o x 0 0 0 7 f f l 0 0 x 0 0 8 0 0 0 o x 0 0 8 f f f l 1 0 x 0 0 9 0 0 0 o x 0 0 9 f f f 和h 0 0 x 3 f 8 0 0 0 一0 x 3 f 9 f f f 为s a r a m 可被映射到程序或数据空间 p e r i p h e r a lf r a m e 0 0 x 0 0 0 8 0 0 0 x 0 0 0 c f f p e r i p h e r a lf r a m e l 0 x 0 0 6 0 0 0 一o x 0 0 6 f f f 和p e r i p h e r a lf l a m e 2 0 x 0 0 7 0 0 0 0 x 0 0 7 f f f 为片上外设寄存器占用 因 此不能被映射到程序空间 p i ev e c t o rr a m o x o o o d 0 0 一o x 0 0 0 d f f 为中断扩展模块的中断向量表 o t p 0 x 3 d 7 8 0 0 0 x 3 d 7 b f f 为一次性可编稃区域 f l a s h 0 x 3 d 8 0 0 0 0 x 3 f t f f f 为闪存存储 器 可映射剑程序空间或数据空间 通常用做程序烧写区域 b o o tr o m 为 0 x 3 f f 0 0 0 0 x 3 f f f f f 启动引导区 通过判断特定引脚的状态 决定加载方式 其余部分为不透明区域由厂商保留 9 东南人学坝i j 学位论文 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部总线采川哈佛总线结构 8 共有八条总线 分别是程序地址总线 p a b 程 序读数据总线 p r d b 数据读地址总线 d r a b 数据读数据总线 d r d b 数据写地址总线 d w a b 和数据 程序写数据总线 d w d b 其中p a b 是2 2 位 寻址空间4 m 其余均为3 2 位 寻址空间4 g 2 外部存储器接口 e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的外部存储空间共被划分为5 个区域 分别为z o n e 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 f f f z o n e l 0 x 0 0 4 0 0 0 0 x 0 0 5 f f f z o n e 2 o x 0 8 0 0 0 0 o x 0 f f f f f z o n e 6 0 x 1 0 0 0 0 0 0 x 1 7 f f f f z o n e 7 0 x 3 f c 0 0 0 0 x 3 f f f f t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 通过片选信号线 1 9 位地址线和1 6 位数据线与外部 存储器交换数据 2 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的软件开发方法 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 支持汇编语言和c c 高级语言进行软件设计 典型的软件开发流程如图2 3 所 示 c c 源文件经编译器编译为汇编源文件 a s mf i l e 全部的汇编源文件由汇编器汇编为二进 制格式的目标文件 o b jf i l e 目标文件和库文件经链接器生成可执行文件 o u t f i l e 最后由烧 写工具转换为特定格式的h e x 文件 程序源文件可用任何文档编辑j 具编掣9 1 t m s 3 2 0 c 2 8 xc c 优化编泽器可将c
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