基于ADmC812和DSP的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

摘 要： 本文提出了一種基于ADmC812和DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)采用主從式設計，DSP 和ADmC812之間通過通用的SRAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，可滿足數(shù)據(jù)采集量大、運算復雜、實時性要求高的應用系統(tǒng)。
關鍵詞： 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；  ADmC812；  DSP；    DMA

引言
    ADmC812是ADI公司的以8051(8052)內核為控制核心的新型微轉換器。由于ADmC812內部集成了大量的外圍設備。它本身就是一個完全可編程、自校準、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以取代傳統(tǒng)的MCU+A/D+ROM+RAM高成本、大體積產(chǎn)品，尤其是它的高精度和高速度A/D模塊，特別適應于智能傳感、瞬時獲取、數(shù)據(jù)采集和各種通信系統(tǒng)。但是，對于需要采集數(shù)據(jù)量大、運算復雜、實時性又要求較高的場合，由于在結構和速度上的限制，往往是無法滿足要求的。本文針對這種情況，提出了基于ADmC812和DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，ADmC812作為主機，完成ADC、DAC、顯示、鍵盤等功能，而DSP作從機，專注于復雜的數(shù)據(jù)運算，兩者通過通用的SRAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和通信。

圖1系統(tǒng)結構圖

ADmC812和TMS320F206簡介
ADmC812微轉換芯片
    ADmC812是具有16位計數(shù)/定時和32條可編程I/O接口的8051/8052微控制器，內置一個8通道、5ms轉換時間、精度自校正、12位逐次逼近的ADC；2個12位DAC，10.5KB的閃存EEPROM，256字節(jié)的SRAM。還包括一些重要功能模塊，如看門狗定時器和電源監(jiān)控器，ADC與數(shù)據(jù)存儲器之間的DMA方式，存儲保護功能，一個通用異步串行收發(fā)器(UART)、SPI和I2C總線接口。

    ADmC812內豐富的外設，使它不需要外部總線擴展就可以組成一個完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有很高的性價比。更值得注意的是在ADmC812內集成了8路12位高精度、自校準4ppm/℃的ADC電路。而且，當工作條件(如時鐘頻率、模擬輸入范圍、基準電壓或電源電壓)發(fā)生變化時，為了得到高精度的ADC結果，可以用軟件對ADmC812內4個用于校正的特殊功能的寄存器設置，達到進一步校正ADC的目的。ADmC812通過設置ADCON1~3 三個特殊功能寄存器，可以使ADC工作于3種不同的模式，實現(xiàn)單次轉換、連續(xù)轉換和DMA模式的A/D轉換，可以根據(jù)具體的需要選擇，在DMA模式下，允許ADC在每次設置寄存器ADCCON1~3后連續(xù)采樣，并將結果寫入外部RAM中。這種自動捕獲功能大大地方便了主從處理器之間的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)字信號處理器TMS320F206
    TMS320F206(以下簡稱F206)是TI公司生產(chǎn)的TMS320C2000系列DSP之一。是繼C2X和C5X之后推出的低價格高性能的16位定點DSP，由于它采用了改進的哈佛結構，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，采用四級流水線作業(yè)，其運行速度可達40MIPS，具有高速運行的特點。同時提供豐富的指令集，增強的模塊化結構設計，使它通用化得以提高，應用領域不斷拓寬，現(xiàn)已成為高檔單片機的理想替代品。F206片內有32K的閃速存儲器，用戶通過F206自帶的、符合IEEE標準1149.1的JTAG接口，可以對程序進行仿真與調試，并將程序代碼燒錄到片內，極大地方便了用戶的系統(tǒng)設計與程序調試。

    TMS320F206提供直接存儲器訪問(DMA)功能，通過使用HOLD操作允許對外部程序、數(shù)據(jù)以及I/O空間進行直接存儲器訪問。該過程是由、兩個信號控制。外部設備可以把引腳驅動到低電平，從而請求對外部總線的控制。如果中斷線被允許，那么將觸發(fā)中斷。F206在相應中斷時，軟件邏輯可以使處理器發(fā)出應答信號，表示它將放棄對外部總線的控制。根據(jù)，外部地址信號(A15~A0)、數(shù)據(jù)信號(D15~D0)以及存儲器控制信號(、、、、、、)被置為高阻狀態(tài)，實現(xiàn)DMA功能。

系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示，存貯器62256作為DSP的全局數(shù)據(jù)存儲器，同時又是ADmC812的外部存儲器，兩控制器分別通過總線和數(shù)據(jù)存儲器62256相連，實現(xiàn)存儲器共享。為了保證兩控制器能分別獨立地工作。在ADmC812和62256之間插入了4片74HC245進行總線隔離。這樣，在ADmC812的控制下，每一時刻只有一個控制器訪問62256。圖中62256作為ADmC812的外部存儲器，A15為片選信號，地址范圍為8000H~FFFFH；作為F206的全局數(shù)據(jù)存儲器，用作片選線，使用高端32K字地址范圍(8000H~FFFFH)。兩片選信號經(jīng)一與非門和62256的片選線CS2相連，實現(xiàn)片選信號的隔離。

    ADmC812通過P1.0、P3.2(INT0)分別和DSP的、XF腳相連，由P1.0向DSP申請總線控制，在DSP響應ADmC812的請求后，DSP的CPU被掛起，并出讓外部總線。ADmC812通過A15打開總線驅動器，并經(jīng)與非門后選中62256，獲得62256的控制權，實現(xiàn)對62256的讀寫操作。而F206也可以通過向ADmC812請求中斷，ADmC812在響應中斷INT0后，進行相關事務的處理。另一方面，ADmC812通過讀引腳的電平，可以確認F206是否被掛起；而通過對腳的控制，實現(xiàn)F206程序的分支轉移，增加系統(tǒng)的靈活性。

    整個系統(tǒng)分為事務性模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，ADmC812控制事務模塊，進行數(shù)據(jù)的采集、LED顯示、開關量的輸入輸出，模擬量的輸出及串行通信等功能。F206控制數(shù)據(jù)處理模塊，主要進行數(shù)據(jù)的處理，完成復雜的算法。另外，也可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果直接處理一些重要的出口控制功能，以彌補ADmC812 I/O端口的不足，加快系統(tǒng)的反應速度。兩個相對獨立的功能模塊通過62256進行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)軟件設計
    由于系統(tǒng)的兩個模塊在功能上相對獨立，相應的軟件也包括兩個主要模塊，ADmC812在程序加載完成后，就進入程序正常運行。系統(tǒng)初始化后，首先通過P1.0向F206請求DMA操作，且得到響應后，ADmC812獲得62256控制權。這時，通過配置3個特殊功能寄存器ADCCON1~3，可以使ADmC812工作在不同的模式下。其中在DMA模式下，ADC可以連續(xù)轉換，并把采樣值捕獲到外部RAM空間而不需要來自微處理器的任何干預，由中斷位ADCCON2.7表示DMA轉換結束。在A/D轉換結束且采樣點達到預定的數(shù)量后，ADmC812就通過ADC中斷，放棄對62256的控制并通知DSP進行數(shù)據(jù)處理。而后ADmC812進入顯示、鍵功能、I/O操作、串口通信等事務性的工作。

    F206在接收到ADmC812的DMA請求后，進入到等待狀態(tài)，并放棄對外部總線的控制權。62256通過ADmC812獲得采樣數(shù)據(jù)，當采樣結束后，DSP從等待狀態(tài)返回到正常運行狀態(tài)并獲得總線的控制權，進行數(shù)據(jù)處理，將運算結果放回62256。F206的DMA操作過程是：F206引腳/上獲得一個有效的下降沿，當CPU轉移到0002H地址單元，CPU從0002H地址單元提取中斷矢量并進入中斷服務程序，在對MODE=0進行成功的測試后，該中斷服務程序就執(zhí)行一個IDLE指令，使F206進入到等待狀態(tài)。當檢測到/腳上的一個上升沿后，CPU退出IDLE狀態(tài)，并使外部總線返回其正常狀態(tài)，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序。

    軟件使用C語言設計，分別在兩個開發(fā)系統(tǒng)上進行程序設計和調試。利用ADI公司提供的軟件開發(fā)工具，能夠快速高效地完成ADmC812應用程序的設計，并通過ADmC812的通用串行口在線調試和代碼下載。F206用聞亭公司提供的TDS-510開發(fā)工具進行軟件設計。最后將ADmC812和F206進行聯(lián)機調試，完成整個軟件的開發(fā)。

結語
    以上設計方案，適合于采集數(shù)據(jù)量大、算法復雜、有一定實時要求的應用領域。由于雙CPU系統(tǒng)無需額外的附加雙口RAM、FIFO及復雜的控制電路，降低了成本，簡化了電路，也擴展了ADmC812的應用范圍。

參考文獻
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