基于TMS320VC5416的多路加速度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：本文介紹了一種基于TMS320VC5416的多路加速度采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)采用AD73360作為數(shù)據(jù)采集前端，通過DSP的McBSP和AD73360級聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)多路模擬加速度信號的實(shí)時(shí)采集和處理。

關(guān)鍵詞：TMS320VC5416；AD73360；加速度；數(shù)據(jù)處理

引言

多路加速度采集系統(tǒng)在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。在早期的產(chǎn)品中，控制和處理核心都采用馮·諾衣曼總線結(jié)構(gòu)的微處理器，由于其指令執(zhí)行速度較慢，設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)顯得比較困難。本文介紹了一種采用TMS320V C5416(DSP)作為處理器，用十六位高精度AD73360作為ADC的多路加速度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。 

           圖1 系統(tǒng)硬件原理圖

           圖2  加速度信號預(yù)處理電路
 

 圖3  AD73360與TMS320VC5416接口電路圖

              圖4 系統(tǒng)軟件流程圖
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP及其外圍電路和通信接口電路組成，如圖1所示。

A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
AD73360簡介

    AD73360工作模式控制起來非常方便，當(dāng)器件加電以后，DSP通過XF或者寫I/O 的方式將AD73360的片選SE引腳置為高電平，此時(shí)AD73360處于上電復(fù)位狀態(tài)，輸出同步幀信號SDOFS，當(dāng)采用圖3的接法時(shí)，可以通過DSP的McBSP串口向AD73360寫入控制字。AD73360由8個(gè)寄存器來控制，控制字字長為16位。

    在用AD73360進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，可直接用單極性輸入方式，也可采取差動輸入方式將單片AD73360接成三通道轉(zhuǎn)換器。不過在用AD73360器件內(nèi)部參考電壓對模擬輸入前端進(jìn)行直流偏置時(shí)，最好采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離。

加速度信號預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

加速度信號預(yù)處理電路主要對輸入的多路加速度信號進(jìn)行取樣、直流偏置和抗混疊濾波處理，具體電路如圖2所示。

    在直流偏置之前，首先采用精密電阻網(wǎng)絡(luò)R1和R2對加速度信號進(jìn)行取樣。為了盡可能提高A/D轉(zhuǎn)換精度，減小電路板的體積，系統(tǒng)使用AD73360片內(nèi)參考電壓REFOUT作直流偏置。在送到運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行直流偏置之前，采用運(yùn)算放大器OP1進(jìn)行隔離，以確保ADC的REFOUT端子沒有輸入、輸出電流，從而保證ADC片內(nèi)精密電壓源電壓恒定和較高的A/D轉(zhuǎn)換精度。最后，經(jīng)R5和C1組成RC網(wǎng)絡(luò)，抗混迭濾波后送到AD73360進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

AD73360與TMS320VC5416的接口設(shè)計(jì)

AD73360片內(nèi)集成有同步串口SPI，通過和DSP的McBSP簡單連接便可組成一個(gè)多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AD73360的復(fù)位信號/RESET、片選信號SE分別由DSP器件的/RESET和XF引腳通過一個(gè)上升沿雙D觸發(fā)器提供，這樣可以確保AD73360的復(fù)位信號、片選信號和DMCLK保持同步，以免發(fā)生讀寫錯(cuò)誤。McBSP的輸入/輸出時(shí)鐘均由AD73360提供，即DSP的同步緩沖串口工作于外部時(shí)鐘模式。通過多片AD73360級聯(lián)，最多可以實(shí)現(xiàn)48路同步采集系統(tǒng)(見圖3)。系統(tǒng)在收到主控單片機(jī)的啟動命令后，將XF置為高電平，AD73360處于上電復(fù)位狀態(tài)，DSP將控制字依順序?qū)懙剿?SPAN lang=EN-US>AD73360中，最后啟動A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)開始對加速度信號進(jìn)行采集。

DSP外圍電路和通信接口電路設(shè)計(jì)

DSP外圍電路包括時(shí)鐘、電源、復(fù)位以及片外程序存儲器電路。系統(tǒng)采用外部時(shí)鐘模式，電源和復(fù)位電路采用TI公司專用芯片TPS767D301和TPS3707-33。由于TMS320VC5416無片內(nèi)Flash，因此系統(tǒng)采用AM29LV200B作為程序存儲器，此芯片是16位Flash存儲器。系統(tǒng)上電后，DSP片內(nèi)引導(dǎo)程序?qū)?SPAN lang=EN-US>AM29LV200B中的工作程序加載到片內(nèi)SRAM,提高程序執(zhí)行效率。

   系統(tǒng)通信電路包括并行通信和串行通信兩部分，由于主控單片機(jī)采用5V邏輯，故并行通信的握手信號和數(shù)據(jù)線均需采用SN74LV245B進(jìn)行電平隔離，同時(shí)數(shù)據(jù)總線需用SN74LV373進(jìn)行鎖存。并行通信的握手信號若采用I/O讀寫的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸效率會降低許多，所以系統(tǒng)將McBSP2定義為通用I/O口，用McBSP2來和主控單片機(jī)握手，從而減少硬件開銷，同時(shí)提高數(shù)據(jù)傳輸速度。
  
   TMS320VC5416片內(nèi)無UART端口，要實(shí)現(xiàn)和主控單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)采用ST16C650，通過I/O讀寫訪問ST16C650，從而實(shí)現(xiàn)DSP和主控單片機(jī)之間的串行通信。

 
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了編寫出模塊性強(qiáng)、執(zhí)行效率高的DSP程序，該系統(tǒng)在開發(fā)過程中采用匯編語言和C語言相結(jié)合的方式進(jìn)行軟件開發(fā)。用C語言編寫程序主體，用匯編語言進(jìn)行硬件接口程序編寫。

   系統(tǒng)軟件執(zhí)行過程如圖4所示，其中左圖為主程序流程，右圖為中斷程序流程。系統(tǒng)加電后，首先對McBSP、AD73360、DMA和串/并通信接口等進(jìn)行初始化，然后等待主控單片機(jī)的啟動命令，接收到啟動命令后開始進(jìn)行多路加速度信號的采集和處理，并將經(jīng)過線性修正和濾波的加速度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給主控單片機(jī)。

   中斷響應(yīng)程序包括定時(shí)器中斷程序、DMA中斷程序和數(shù)據(jù)傳輸請求中斷程序。當(dāng)系統(tǒng)打開中斷后，一旦收到啟動命令，便啟動AD73360，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；AD73360將轉(zhuǎn)換后的離散加速度數(shù)據(jù)經(jīng)McBSP0直接送到DMA,并分類裝到各個(gè)RAM區(qū)間，當(dāng)DMA指定的數(shù)據(jù)塊緩沖區(qū)充滿以后，DSP響應(yīng)DMA中斷，對加速度值進(jìn)行線性修正和數(shù)字濾波；若主控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)請求中斷產(chǎn)生，DSP通過并口、串口向主控計(jì)算機(jī)發(fā)送加速度值和空間位置信息；若定時(shí)器產(chǎn)生中斷，DSP將開關(guān)變量T置為1。當(dāng)中斷返回后，繼續(xù)進(jìn)行加速度數(shù)據(jù)處理，并判斷開關(guān)變量T的狀態(tài)，決定是否給出控制信號。

 
試驗(yàn)結(jié)果

因?yàn)樵诘孛婺M三維加速度輸入較為困難，在數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)中，選用三路100Hz正弦信號作為模擬輸入，用1kHz采樣率進(jìn)行采樣。采集系統(tǒng)幅度和相位一致性較好，需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步檢驗(yàn)其采集精度。

 
結(jié)語

   利用AD73360和TMS320V C5416進(jìn)行加速度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)需注意以下幾個(gè)問題：由于DSP系統(tǒng)具有低功耗、雙電源和高速度性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮芯片引腳的外接方式和工藝特性； AD73360的模擬電源和數(shù)字電源要隔離；DSP和AD73360之間的接口在布線時(shí)需注意抗干擾，必要時(shí)可在串行數(shù)據(jù)線上串接10左右的電阻；在用AD73360提供的參考電壓作直流偏置時(shí)，最好先用運(yùn)算放大器隔離。