高速多通道同步DSP数据采集系统

重庆大学电气工程学院(400044)刘和平周小军
本文利用TI十六位定点DSPTMS320F206和五片四通道同步十二位AD转换器AD7874构成了实时高速二十通道的同步DSP数据采集系统，充分发挥了DSP强大的数据处理能力，同时将分析结果实时以文本或图形两种方式在LCD上显示出来，收到了较好的效果。
1.概述
TMS320C2XX是TI公司继TMS320C2X和TMS320C5X之后推出的一种低价格、高性能的十六位定点运算DSP。TMS320C2XX的体系结构设计基于TMS320C5X，它具有以下特点：
（1）增强的TMS320结构设计，改进的哈佛结构，将数据总线和程序总线分开，具有多级流水线。（2）高性能、低功耗的静态CMOS工艺；运行速度快，执行速度可达40MIPS。（3）高度专业化的指令集，便于优化算法；存贮器资源丰富，可寻址224k存贮空间。（4）丰富的片上外设，包括锁相环、定时器、同步和异步串行口、通用I/O口等。（5）具有遵循IEEE1149.1标准的片内JTAG仿真接口，可在线对程序进行仿真调试和下载。
本文以TMS320F206为核心，设计并制作了高速多通道的同步数据采集系统。TMS320F206除具有TMS320C2XX的共同特征外，它的最大特点在于片内带有32k的Flash存贮器，可多次擦写，为开发程序带来很大方便。同时，为了对数据进行快速同步采集，利用模拟器件公司的四通道十二位同步AD转换器AD7874来实现。AD7874是专门针对需要对数据进行同步采集而设计的，片内带有四个采样/保持器和一个多路转换开关，全部四通道的采样频率为29kHz，自带片内参考源。为了将采样数据显示出来，利用EDM240128图形点阵液晶显示器模块完成显示。该模块采用东芝T6963C作为显示控制芯片，能与微处理器直接接口，具有片内CGRAM发生器，可管理64kRAM，可以图形、字符及图形和字符合成方式进行显示，还可以实现字符方式下的特征显示。另外，本系统还带有RS－485通用串行接口，可以很方便的与其它单片机或PC机通讯。本系统充分利用以上芯片的优点，能实时对二十路信号同步采集，结合DSP强大的数字信号处理功能，对输入信号进行FFT变换和处理，完成各次谐波分析，并在液晶屏上用字符或图形两种方式分别将各路采样值和变化曲线、频谱图等显示出来。
２.系统结构框图及工作原理
高速多通道同步DSP数据采集系统的原理框图如图一所示。
图中，五片四通道同步数据采集器AD7874的地址和数据总线均与TMS320F206的地址和数据总对应相连，考虑到F206的驱动能力和系统工作的可靠性及稳定性，在F206的地址和数据总线输出端加有双向总线驱动器74LS245，由74LS245来完成外围扩展芯片的驱动。为了实现AD片间真正的同步采样，各个AD的启动由单片机的同一I/O端口来控制，这样只要F206使该端口有效就可以同时启动AD，从而实现了二十路输入的同步采样。为了避免参考源所引起的误差，各个AD使用同一AD自带的内部参考。
TMS320F206内部具有一个十六位的定时器，本系统中利用它来控制采样的时间间隔，根据预估的采样和处理时间设定定时器的初值，可满足等间隔采样的要求。为简化地址译码电路的设计和增加设计的灵活性，利用GAL16V8可编程器件进行地址译码，分别控制AD的启动、各片采样值的读取和选通LCD模块。
由于液晶显示模块EDM240128是八位uP接口的，故只须将TMS320F206的低八位总线与之相连即可。尽管相对快速的DSP而言，EDM240128是一慢速的外设，但TMS320F240内置等待状态产生器，在CPU读写存贮器或端口时，通过增加0～7个等待状态，可以加长CPU等待外部存贮器或外部I/O口响应的时间，TMS320F206的机器周期为50nS，这样可得到的最大等待时间为350nS，已能完全满足EDM240128的要求，从而可省去READY信号产生电路。
RS－485是一种平衡差分驱动、半双工的串行通信接口标准，它具有传输距离远、抗干扰能力强、较高的数据传送速率和便于构成分布式测控网络等优点。MAX485是用于RS－485通讯的低功率收发器，只需＋5V电源即可，本系统利用它引出了一个RS－485串行口。
3.软件设计和调试
因为本系统的软件结构较为复杂，涉及的算法较多，故采用了模块化、由顶向下、逐步细化的结构化程序设计方法，实践证明这一方法可节省软件工作量、提高工作效率，取得了成功，整个软件设计流程见图二。
系统上电CPU复位后，首先由TMS320F206完成自身的初始化，包括配置RAM块，设置数据页指针、中断和I/O模式，设置中断屏蔽位和等待状态位，设置定时器模式、初值、串行口等；然后对EDM240128初始化，包括清显示RAM，设置文本区、图形区和显示方式，建立汉字点阵CGRAM等；然后开EDM240128文本显示和中断，启动AD等待中断；最后进入循环数据采样、处理、显示和串行通讯，完成实时采样、数据处理、液晶显示和串行通讯。----本软件的调试采用了TI的XDS510TMS320系列JTAG硬件仿真器。由于它与目标系统之间采用了JTAG接口（基于IEEE1149.1标准），从而可真正做到完全的硬件仿真，在仿真时不占用硬件资源，且可随时察看CPU内部及外