用TMS320C6711DSK构成的多通道数据采集系统
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关键词 TMS320C67llDSK 多通道数据采集 同步采样 接口电路设计
引 言
随着现代电子技术的发展，对于信号采集的要求越来越高，不但要求有较高的采样精度和速度，而且在某些特定的应用中，还要考虑采样的实时性。
TMS320C6711(简称为“C67ll”)DSP是TI公司在200O年推出的C61300系列中的新片种。应用C6711 DSP作为高速数据采集系统的主处理器，完全能够满足实时性的要求，对采集到的数据进行实时处理；但目前基于C6000系列的系统设计工作还存在着硬件设计困难及成本太高等诸多问题。若完全从底层开始架构系统设计方案，则工作量很大，困难较多，因此目前一个良好的折衷方案是在TMS320C6711DSK(简称为“C6711DSK”)平台上进行开发。
1 TMS320C6711DSK介绍
1.1 TMS320C6711DSK的特点
C6711DSK开发平台的主要特点有：
◇板上留有2个80脚的接口，方便系统扩展；
◇EMIF接口有两种时钟模式可以选择，时钟频率分别为150MHz和100MHz；
◇100 MHz的16MB同步动态存储器(SDRAM)；
◇直接提供1．8V和3．3 V直流电源；
◇JTAG仿真器，可支持并口或外接XDS510支持；
◇1个并行接口，主机可通过该并口访问开发板上的存储嚣；
◇150 MHz主频，可执行900 MFLOPS浮点操作；
◇128 KB的可编程Flash存储器；
◇16位语音CODEC电路。
1．2 TMS320C6711DSK总线扩展
由于C6711DSK与外部子板之间所有的信导传送都是通过板上预留的2个80脚插头(J1和J2)。其中Jl集中了外部存储器接口EMIF的接口信号(数据线、地址线、读／写控制等)，可以方便地进行存储器扩展。J2提供了其他外围器件的信号汇总，包括多通道串口、中断、时钟、计数器等。Jl和J2提供了大多数的板上内部总线信号，开发者可以方便地通过这个插头共享C67llDSK的系统板，开发自己的应用系统。
J1的引脚分配如表1所列。J2主要是一些控制信号，包括一些外设的接口信号，如多通道缓冲串口、定时器、外部中断等，如表2所列。利用J2提供的信号，可以方便地使用C6711 DSP的片内外设，其中多通道缓冲串口、定时器等信号既可以当作特殊功能外设信号使用，也可以被设定为通用I／O口，这在一定程度上弥补了C6711 DSP通用I／O口不足的缺点。如果扩展外部系统中所需的I／O口不多，则完全可以使用开发板自带的I／O；但是如果所需I／O较多，则还要另加CPLD或单片机扩展I／O功能。
1．3 TMS320C6711DSK的电源和地
C6711DSK开发板上提供了12 V、-12 V、5 V、3．3 V电压供外部扩展子板，可以直接使用。在使用时要注意其驱动能力。该开发板总共可以供给子板5 V／l A的功率，板上还带有一一个外接电源连接器。驱动能力不足时，可以使用外接电源，但要注意外接电源和开发板上的供电电源不可同时使用。板上提供了系统统一地，使用时外接子板的GND信号和开发板上提供的地(VSS)直接相连即可。
由上述可以看出，C6711DSK提供了相当多的信号，方便系统的扩展，使用起来非常方便；唯一不足的是，系统提供的I／O口偏少，在某些应用场合下远远不够，需要外接器件进行扩展。本设计的数据采集系统须用到较多的外部I／O，因此扩展了1片16位单片机80C196KC作为协处理器，扩展系统的I／O口；同时与外部进行通信，处理一一些外部请求。
2 基于C6711DSK数据采集系统设计
2．1 系统总体硬件设计
本高速同步数据采集系统主要针对电力系统的参数测量与故障检测。在设计中充分考虑了电力系统中数据采样的特点，A／D转换芯片选用丁Maxim公司的MAXl25AEAX芯片。该芯片主要针对电力系统采样中实时性强，需进行多路同步采样的要求设计，能够进行多通道高速同步采样，最高采样率为76 ksps(四通道)，完全能够满足电力系统采样的要求。
设计中采用双处理器架构，是为了充分利用DSP的数据处理能力强的特点。DSP主要负责对采集到的电网参数信息(三相电压、三相电流)进行FFT和数字滤波等一系列运算，并计算出有功功率和无功功率，对电压电流值进行高次谐波分析，给出幅度、相位以及三相电压、电流的总畸变率。由于DSP的运算速度快，且在结构上特别适合进行FFT和实现数字滤波等功能，因此由1片DSP完成系统大量主要的运算，能够满足系统对于实时性的要求。2片处理器之间通过1片双口RAM实现数据共享，DSP将运算结果放到双口RAM的指定单元，并同时发送信号给单片机，通知数据发送完毕，单片机接收信号读取数据。通过握手信号，可以保证2片处理器之间的数据无差错传输；同时通过单片机系统还能接受键盘指令，发送数据显示，并能与外部计算机进行通信。
系统硬件设计框图如图1所示，电压、电流等模拟量首先通过变压器转换成-5～+5V的电压，并在抗混叠滤波后接入MAXl25AEAX。2片MAXl25AEAX对6路信号进行同步采样，每周波采样64点。MAXl25AEAX将采样数据传送给DSP，DSP接收到采样数据后进行相应的运算处理，最后将结果送到双口RAM，并发送信号给单片机，通知数据准备完毕。单片机可以接收外部命令，进行读取数据等一系列操作。
2．2 C6711DSK与双口RAM的接口电路设计
设计中选用了Cypress公司的CY7C135(4K×8位)双口RAM，实现C6711DSK与80C196KC之间的数据共享。该芯片具有2组独立的数据总线、地址总线和读取信号线，允许2个口同时访问存储器的任何地址。当二者要同时访问同一存储单元时，片内总线仲裁逻辑可解决这一问题，使DSP与80C196KC在同时运行时也能快速交换数据。为了广加强交换数据的可靠性，DSP向双口RAM传送数据时，同时向80C196KC发送信息和在双口RAM中置相应的标志位；同样，80C196KC向双口RAM传送数据时，同时向DSP发送信息和在双口RAM中清除相应的标志位。80C196KC与DSP具体接口电路如图2所示，图中74LVC4245是TI公司的总线电平变换芯片，用于解决80C196和DSP数据总线电平不匹配问题。
由于CY7C135为8位RAM而C6711DSK提供了32位数据线接口，需要将8位数据转为32位进行传输，因此选择了小端存储模式，将C6711DSK提供的外部扩展数据总线上的低8位DB_D0～DB_D7与CY7C1 35的DO～D7相连，异步读写使能信号DB_AOE，DB ARE分别与RAM的RW和OE相莲。
2.3 06711DSK与A／D芯片接口电路设计
考虑到电力系统采样的特点，A／D转换芯片采用了Maxim公司的MAXl25AEAX。MAXl25AEAX是14位高精度A／D芯片，内部集成1个14位、转换时间为3μs的逐次逼近型模拟／数字转换器，1个+2．5 V的内部电压基准，1个经过缓冲的电压基准输入端，1个内部频率为16MHz时钟，1组可以同时对4路输入信号进行同步采样的采样／保持电路。
在使用MAXl25AEAX时要考虑其与C6711 DSP的电平匹配问题。MAXl25AEAX的输出为5 V电平，而C6711DSP的输人为3．3 V。如果将MAXl25AEAX的输出直接送到C5711的数据输入引脚上，则有可能超过C6711引脚的耐压值(3．3V)，因此在接口电路设计中要考虑不同电平之间的转换。本系统使用SN74ALVCl64245DL作为电平转换器，MAXl25AEAX的输出DO～D13接入SN74ALVCl64245DL锁存后进行电平转换，再进入C6711的数据总线。SN74ALVCl64245DL采用3．3 V和5 V双电压供电，输出信号电平为3．3 V，可以接收5．5 V的输入信号。接口电路如图3所示。
图3所示仅为一片MAXl25AEAX与DSK接口电路。实际设计中，需用2片MAXl25AEAX完成对电压、电流的采样。另一片MAXl25AEAX与DSK的连接电路与图3相同。将MAXl25AEAX的RD、WR引脚分别接到C6711DSK的AOE、AWE引脚，由DSP控制数据的读写，2片MAXl25AEAX的片选信号由DSP的高位地址线进行译码得到。
2．4 地址分配
C6711DSK需要扩展1片双口RAM，并且能够选择MAXl25AEAX的数据通道进行数据的读写，需要在C6711 DSP的地址空间内分配相应的地址。设计时，用l片SN74LVCl 38AD译码器对C6711DSK扩展地址线的DB_A14、DB_A15、DB_CE2信号进行译码产生片选信号。2片MAXl25AEAX和双几RAM(CY7C135)的地址分别为A0000000H、A0004000H和A0008000H～A000CFFFH。
SN74LVCl38AD译码器是TI公司设计的一款低压译码器，运行电压为1．65～3．3 V；既可以被5 V电平驱动，也可以运行在3．3V电压环境下，特别适合3．3V／5V的混合电平电路应用，可以方便地与3．3V系统直接接口而无需任何转换。
2.5 C6711DSK的I／O信号扩展
系统中需要用到大量的I／O信号。由于C671DSK提供的I／O信号十分有限，因此设计上采用了1片80C196KC单片机作为协处理器，大部分的外部信息传送都由单片机处理。但是由于DSP和单片机之间需要有握手信号，以及DSP控制A／D的读写控制信号，所以用到了C6711DSK的部分I／O信号线。由于C6711DSK没有提供专门的通用I／O线，因此将开发板上的外设控制信号线设定为通用I/O信号来使用。其中DB_CLKX1和DB_CLKRI作为DSP与单片机的握手信号，负责DSP与单片机之间传输数据的控制；DB_FSXl和DB_FSR1作为DSP读写A／D和双口RAM的方向控制信号；DB_EINT6和DB_EINT7为外部中断信号输入端，响应A／D转换芯片的读取数据中断。MAXl25AEAX采样完毕后中断输出引脚发出中断信号，通知DSP接收数据。DSP在接收到中断请求后判断中断引脚号，然后到相应的MAXl25AEAX读取数据。在A／D芯片MAXl25AEAX的中断输出引脚和C6711DSK中断输入引脚之间采用高速光耦HCPL0600进行光电隔离，同时实现5 V到3．3 V的电平转换。
2.6 软件设计
利用CCS开发系统软件程序，采用C语言和汇编语言混合编程方法，主程序用C语言、初始化和FFT用汇编语言编写。系统软件主要由A／D采样程序和数据处理程序组成。A／D采样程序主要负责接收存储MAXl25AEAX转化完的数据到外扩的数据存储器RAM中，并读取计算出的信号频率值。DSP数据处理和计算程序主要足对采样数据的分析和处理，进行FFT滤波。主程序结构框图如图4所示。
由锁相倍频电路的输出信号启动A／D转换。该信号由被采样信号经过锁相倍频后得到，与被采样信号保持同相位，并且信号频率为被采样信号的64倍(一周波64点采样)。A／D芯片MAXl25AEAx的采样信号转换完后，电路将触发中断信号INT6D给DSP。实时数据由DSP通过连续读脉冲将数据存到RAM。当数据采样达到64个点后，开始执行FFT单元。
在进行FFT算法开发时，由于C语言不能直接利用DSP特有的反序间接寻址等优越特性，FFT运算的实时性也不理想，因此编程中FFT算法选用汇编语肓来实现。
结语
利用TI公司的TMS320C6711DSK设汁的多路数据采集系统，应用在电力系统参数测量中，能够很好地满足采样要求；利用C671113SK作为主板，通过板上提供的扩展信号设计系统的方法，大大降低了开发难度，缩短了开发时间。
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