基于DSP与CPLD的多通道数据采集系统的设计

1、自动化技术罗轶群等:基于DSP与CPLD的多通道数据采集系统的设计基于DSP与CPLD的多通道数据采集系统的设计罗轶群,代作晓(中国科学院上海物理技术研究所上海200083)摘要:设计了利用TI公司的TMS320LF2407A系列DSP和Altera公司的MAXIIEPM570系列CPLD控制MAXIM公司的MAX194A/D转换器实现一个多通道数据采集系统的结构。分析了MAX194A/D转换器的工作性能,使用Altera公司的MAXIIEPM570系列CPLD在Quartus环境下使用VHDL语言实现了MAX194的模数转换器接口。介绍该系统的工作原理,并详细描述了CPLD,DSP以及MAX

2、194。关键词:DSP;CPLD;MAX194;CD4067中图分类号:TP274.2文献标识码:B2373X()Multi2channelBonDSPandCPLDYiqun,DAIZuoxiaoofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience,Shanghai,200083,China)Abstract:Thispaperintroducesasystemstructuremulti2channeldataacquisitionbasedonTITMS320LF2407ADSP,Al2teraMAXIIEPM570andMAX194A/Dconverte

3、r.ItanalysestheinteriorarchitectureoftheMAX194,usestheVHDLlan2guageunderQuartusIIenvironmenttocarryouttheMAX194A/DconverterinterfacewiththeMAXIIseriesCPLD.Andex2plainstheprincipleofthissystemanddescribesthehardwaredesignandsoftwaredesignfortheinterfacesamongMAX194,DSPandCPLD.Keywords:DSP;CPLD;MAX194

4、;CD4067用于实时控制系统的嵌入式系统经常需要对模拟量进行测量,通常的方法是以MCU为主产生采集控制时序控制模数转换器,并通过中断或查询的方式读取转换后的结果。由MCU产生采集控制时序将占用较多的系统软硬件资源。而在一般复杂的多路信号测控系统中,MCU需要进行数据存储,通讯,数据处理等多项工作,如果再需要其频繁地产生模数转换控制器的控制时序,将会影响系统的性能,严重时将会成为系统的瓶颈。本文采用CPLD产生A/D转换器的控制时序,使得CPLD主要实现A/D时序控制的功能,DSP主要实现闭环控制算法的功能。1系统总体结构序,使用SPI总线来接收A/D转换的数字值,并进行相应的处理。系统的总体

5、结构图如图1所示。图1系统总体结构2硬件设计2.1主控DSP芯片TMS320LF2407A系统以DSP和CPLD为核心,模拟信号从模拟多路开关CD4067接入,利用CPLD进行使能其输入。使用DSP的GPIO口作为模拟多路开关的通道号的选择。A/D转换器使用MAXIM公司的MAX194,其控制时序由CPLD产生。当A/D转换结束后,将会产生一个EOC信号,该信号作为LF2407的外部中断,当DSP接收到该转换结束信号,进入相应的外部中断程收稿日期:2008201209系统的主控制器采用了TMS320LF2407A,313V静态CMOS工艺,40MIPS,具有16位地址总线,16位数据总线,3个

6、独立的存储空间,包括可用的64kB程序空间,3515kB数据空间以及64kB的I/O空间。访问不同的存储空间时,DSP有相应的引脚作为选通信号,PS对应程序空间,DS对应数据空间,IS对应IO空间,均为低电平有效。本系统将MAX194A/D转换器114现代电子技术2008年第15期总第278期映射到I/O空间0000H27fffH,其使能的逻辑表达式为:CS=A15+IS。多路模拟开关映射到I/O空间的8000H2ffffH,其使能逻辑表达式为:CS=A15+IS。式中IS是I/O空间选通信号线。TMS320LF2407A的内部具有32kBFLASH程序存储器,215kBRAM数据存储器。FL

7、ASH可满足DSP系统程序存储的需要,而215kB的数据存储器可能不够。而且研发阶段一般将程序写在RAM上,所以设计选用了CypressSemiconductor公司的CY7C1021V33的SRAM,该SRAM为64kB,设计中设定0000H27ffffH为程序空间,8000H2ffffH为数据空间。外扩SRAM的逻辑表达式为:CS=(A15+PS+DS)(A15+PS+DS)。式中CS是SRAM的片选信号线,A15是DSP的第16根地址线,PS通信号线,DS2.2TMS320L16通道A/D转换器,但是只能输入单极性电压,只有10位的分辨率,精度很不理想,所以需要外扩A/D转换芯片。经过多

8、方比较,笔者选用了MAXIM公司的MAX194芯片,它是一种逐渐次比较型的模数转换器,具有高精度,低功耗等特点。MAX194的内部设有校准电路,用于保证全温度范围内的线性度,且不需要外部的调整电路。分开的模拟和数字供电,最大限度地减少了数字耦合噪声。其主要特征有:14位分辨率,1/2LSB非线性度,82dB的信噪比,低功耗,单极性或双极性输入,三态串行输出。MAX194具有两种接口模式:同步模式和异步模式。同步模式:MAX194在转换过程中,每转换完一个,数据位就输出一位。此时,SCLK应该接地,CLK即作为ADC的转换时钟又作为串行接口的移位输出时钟。异步模式:DSP只能在MAX194完成一

9、次转换之后才能将转换结果读出,然后启动下一次的转换。这种模式降低了MAX194连续转换的速度。使用CPLD来控制MAX194,可以方便地控制MAX194工作在同步或者异步状态,而不需要对硬件电路做任何改动,仅需要修改CPLD中的程序即可。本设计将MAX194设定在异步工作模式下,MAX194异步模式时序图如图2所示。根据图2所示的时序图,将采样控制过程分成了4个状态:(1)初始状态:MAX194采样控制信号初始化,各采样控制状态置零。(2)启动采样状态:将MAX194的启动转换信号START置低并保持至少两个CLK周期。(3)转换结束状态:将MAX194的启动信号测试测量自动化START置高并

10、检测转换结束状态信号EOC,当它由高电平变成低电平时即表示转换已经结束。因此,这个状态与上个状态一样是看EOC信号是否有变化,若是有变化,则转到下个状态,若是没有变化,则将一直在这个状态中循环,直到EOC信号有变化为止。(4)转换结果输出状态:将MAX194的芯片使能信号CS置低,DSP通过SPI口将A/D转换得到的数据传入DSP中。图2MAX194异步模式时序图根据以上工作状态的描述,使用了VHDL语言编写了A/D转换采样控制模块的程序,并进行了仿真,仿真结果如图3所示。从仿真图中看出设计的A/D转换控制模块是完全符合设计要求的。图3A/D控制模块仿真图3软件设计TMS320LF2407A是

11、基于C2000平台的,提供两种编程语言:C/C+语言或汇编语言。其中,C语言编写的程序可读性、可移植性强,且大大缩短了开发周期,但执行效率低,程序出错时不易诊断。汇编语言程序效率高,但编写比较繁琐。通常做法是程序核心部分(即经常调用部分)采用汇编语言编写,以提高整个系统的执行效率,对实时性要求不高的部分采用C语言编写以降低程序的复杂度,提高程序的可读性和可修改性。本文采用C语言和汇编语言混合编写的多文件结构,主要包括主程序、读取A/D转换结果的中断程序的设计。软件流程如图4所示。主要分成三部分:SPI配置部分,模拟开关控制部分,A/D转换控制和转换结果的读取。3.1SPI配置部分对于LF240

12、7A,串行SPI外设接口有9个寄存器,用于控制其操作。在本设计中将LF2407A的SPI接口设定在主模式下,在该模式下,采用主控制器发送伪数据,从控制器发送数据。主控制器可在任何时刻启动数115自动化技术罗轶群等:基于DSP与CPLD的多通道数据采集系统的设计3PADATDIR|=(chanel&0x3)<<6;/设置bit7,bit63PBDATDIR|=(chanel&0xC)<<2;/设置bit1,bit0mux=3;/产生使能信号据传送,因为它控制着SPICLK信号。但软件决定了主控制器如何检测从控制器何时准备发送数据。SPI接口模块的初始化程序

13、如下:intSPIINTITIAL()3SPICCR=0X000F;3.3MAX194转换控制部分/16charbits,在SPICLK的上升沿发送数据,在下降沿接收数据由于A/D映射DSP的I/O空间的0x00000x7fff之间,类似于模拟多路开关,也需要对该空间进行一个读操作。/声明MAX194映射到I/O空间#defineMAX194port1000;volatileioportunsignedintport1000max194=3;/产生MAX194的使能信号3SPICTL=0X0006;/使能主动模式,一般的时钟方式,使能TALK3SPIBRR=0X0027;/SPI的波特率为1M

14、,CLKOUT=40M3SPICCR=3SPICCR|OX0080;/使SPI退出复位状态在使EOC信号,使:;result=temp<<2;(clrcINTM”);asm“/清除外部中断位/读转换结果的高14位/重新使能中断4结语图4软件流程图3.2模拟多路开关选通部分多路数据采集系统在嵌入式测控系统中具有很强的实用价值。本文设计了一个基于TMS320LF2407A与EPM570T100C5N的MAX194的多通道采集系统,详细描述了MAX194,CPLD与DSP之间的硬件与软件设计,该系统在笔者参与的嵌入式测量控制系统中得到了成功的应用。参考文献1徐科军,张兴,肖本贤,等.TM

15、S320LF/LC24系列DSP的CPU与外设M.北京:清华大学出版社,2004.2李辉.PLD与数字系统设计M.西安:西安电子科技大学由于多路模拟开关映射到DSP的I/O空间中的0X800020XFFFF之间,所以在DSP程序中,对0X800020XFFFF之间进行一个读操作,由DSP的GPIO选择的通道就被选通,信号由CD4067输出到A/D转换器MAX194。读地址产生的低电平信号CS的保持时间由访问I/O空间的等待时间决定的,通过设置等待状态寄存器来保证获得有效的延时时间。/设置状态寄存器WSGR=0x01C0;/bit826=111,访问I/O空间插入了7个等待状态/声明CD4067映射到I/O空间#definemuxport8000;volatileioportunsignedintport8000/CD4067通道选择函数3PADATDIR&=0Xff3f;/bit7,bit6清03PBDATDIR&=0Xfffc;/bit1,bit0清0出版社,2005.3刘和平,王维俊,江渝,等.TMS320LF240xDSPC语言开发应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.4杨占录,董保国.14位A/D转换器MAX194在ARM单片机系统