基于TLV1578和TMS320VC5402的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在工業(yè)控制中，為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較高的速度和精度。在此設(shè)計(jì)了基于TMS320VC5402的快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹一種A／D接口設(shè)計(jì)方案。通過對目標(biāo)信號進(jìn)行采集，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有易實(shí)現(xiàn)，高精度，高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)用的A／D接口原理圖，敘述了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，包括TLV1578的初始化和中斷服務(wù)子程序等。最后從工程實(shí)踐的角度給出了印刷電路板設(shè)計(jì)中需要注意的問題和相應(yīng)的解決方案。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；TMS320VC5402；TLV1578；A／D

0 引言
    在工業(yè)控制中，經(jīng)常需要將各種數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這就要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度快，精度高，并且具有數(shù)字信號處理能力。在此討論了一種基于TMS320VC5402的快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的A／D接口設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的CPU為TMS320VC5402。該芯片是TI公司生產(chǎn)的從屬于TMS320C54x系列的一個(gè)工作靈活、高速、具有較高性價(jià)比、低功耗的16位定點(diǎn)通用DSP芯片。其主要特點(diǎn)包括：采用改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，1條程序總線(PB)，3條數(shù)據(jù)總線(CB，DB，EB)和4條地址總線(PAB，CAB，DAB，EAB)，帶有專用硬件邏輯CPU，片內(nèi)存儲(chǔ)器，片內(nèi)外圍專用的指令集，專用的匯編語言工具等。TMS320VC5402含4 KB的片內(nèi)ROM和16 KB的雙存取RAM，1個(gè)HPI(Host Port Interface)接口，2個(gè)多通道緩沖單口MCBSP(Multi-Channel Buffer ed Serial Port)，單周期指令執(zhí)行時(shí)間10 ns，雙電源(1．8 V和3．3 V)供電，帶有符合IEEE 1149．1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG邊界掃描仿真邏輯。

    系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由基于TMS320VC5402的最小系統(tǒng)、JTAG接口電路、FLASH存儲(chǔ)器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路構(gòu)成。DSP最小系統(tǒng)中包括供電電路、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。供電電路中，將AMS1117-3．3電源轉(zhuǎn)換芯片作為5 V轉(zhuǎn)3．3 V的高性能穩(wěn)壓芯片，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的主電源3．3 V。CX1117-1．8電源轉(zhuǎn)換芯片提供1．8 V電壓給DSP內(nèi)核使用。復(fù)位電路使用高電平復(fù)位，并提供手工復(fù)位按鍵。時(shí)鐘電路采用DSP內(nèi)部振蕩器方式，選用20 MHz的外部晶振。JTAG接口電路提供對DSP的內(nèi)部FLASH的燒寫和仿真通信。FLASH主要用來存儲(chǔ)程序及初始化數(shù)據(jù)。A／D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。
    信號調(diào)理電路包括前置放大濾波電路、第二級放大電路和信號預(yù)處理電路。其中信號預(yù)處理電路使輸入的信號保持在A／D可接受的模擬輸入電壓范圍。TMS320VC5402通過編程實(shí)現(xiàn)對A／D等模塊的初始化和實(shí)時(shí)控制。
1．2 A／D模塊設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用的ADC芯片是TLV1578。TLV1578是TI公司專門為DSP芯片配套制作的一種8通道10位并行A／D轉(zhuǎn)換器。它將8通道輸入多路選擇器
(MUX)、高速10位ADC和并行接口組合在一起，構(gòu)成10位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。器件包含兩個(gè)片內(nèi)控制器(CR0和CR1)，通過雙向并行端口可以控制通道選擇、軟件啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和掉電。TLV1578采用2．7～5．5 V的單電源工作，可接收0～AVDD范圍的模擬輸入電壓，具有速度高、并行接口簡單和功耗低等特性。由于TLV1578具有與DSP兼容的并行接口、內(nèi)置振蕩器等特點(diǎn)，因此使用TLV1578時(shí)，不需要過多的外圍器件就可以方便地實(shí)現(xiàn)與5402連接。圖2給出了TLV1578與TMS320VC5402的連接示意圖。

    DSP地址總線的A0引腳和I／O空間選擇引腳控制TLV1578的片選信號；使用DSP的XF引腳控制TLV1578的讀信號；DSP和TLV1578的數(shù)據(jù)中斷信號直接相連。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2．1 程序流程
    該系統(tǒng)對TLV1578的設(shè)置方式為：單通道輸入、軟件啟動(dòng)、采用內(nèi)部時(shí)鐘源、時(shí)鐘設(shè)置為20 MHz、二進(jìn)制輸出方式。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

    TLV1578的調(diào)試步驟如下：
    (1)DSP選通TLV1578(使)，通過DSP的信號和數(shù)據(jù)總線初始化控制寄存器CR0和CR1。
    (2)TLV1578完成轉(zhuǎn)換后，發(fā)出中斷請求。
    (3)當(dāng)產(chǎn)生下降時(shí)，DSP接收TLV1578的中斷信號進(jìn)入中斷服務(wù)程序。
    (4)DSP在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時(shí)使，發(fā)出讀入完成信號，通知TLV1578開始下一次采樣。
2．2 部分關(guān)鍵代碼
    部分關(guān)鍵代碼為：
   

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    現(xiàn)場采集一目標(biāo)信號e(t)，在CCS下觀察采集到的信號波形如圖4所示(橫軸表示采樣點(diǎn)，縱軸表示采樣電平幅度)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)成本低，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，已將其應(yīng)用用于電磁傳感器的信號檢測，取得了較好的效果。實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果與實(shí)際的輸入信號值有一定的誤差。如何通過設(shè)計(jì)A／D校正電路和A／D校正算法提高系統(tǒng)的精度，值得進(jìn)一步探討。

4 結(jié)語
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了限制反饋到電源和基準(zhǔn)電壓的高頻瞬變和隨機(jī)噪聲，要注意印制電路板的設(shè)計(jì)。一般情況下，0．1μF的瓷片電容足以在寬頻帶范圍內(nèi)保持低阻抗。但它們的有效性很大程度上取決于與各電源引腳的靠近程度，所以電容需要盡可能地放置在靠近電源引腳的地方。為了減小高頻噪聲耦合，數(shù)字地和模擬地應(yīng)在芯片引腳處立即短路。