基于EMIF接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來，隨著微控制器的發(fā)展，各類工業(yè)控制產(chǎn)品對(duì)現(xiàn)代數(shù)字控制器的需求也越來越大。這又反過來推動(dòng)了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路和微控制器的不斷發(fā)展，同時(shí)各類數(shù)字處理器的工作頻率也越來越快，例如TI公司的控制器TMS320C6000可達(dá)到200 MHz。而為了支持與各種外部存儲(chǔ)器之間的無縫對(duì)接，TMS320C6000系列處理芯片加入了外部存儲(chǔ)器接口(The External Memory Interface，EMIF)。本次設(shè)計(jì)主要是以TI公司的浮點(diǎn)核芯片TMS320C6713為主要控制器。

1 浮點(diǎn)DSP TMS320C6713簡介
    TMS320C6713是一款高性能浮點(diǎn)DSP，其工作主頻可達(dá)200 MHz，其單指令執(zhí)行周期僅5 ns，具有強(qiáng)大的定點(diǎn)浮點(diǎn)運(yùn)算能力，運(yùn)算速度高達(dá)1 600MIPS／1 200MFLOPS。
    TMS320C6713處理器由3個(gè)主要部分組成：CPU內(nèi)核、存儲(chǔ)器和外設(shè)。
    CPU中包含8個(gè)功能單元，可以并行操作；有兩組寄存器，每組寄存器由16個(gè)32位寄存器組成。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的總線寬度為256 bit，每個(gè)周期可取8條32位指令。外設(shè)包括擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問(EDMA)、低功耗、外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，串口、McBSP接口、IIC接口和定時(shí)器等。TMS320C6713功能框圖如圖1所示。

    從總體上歸納一下，TMS320C6713具有以下特點(diǎn)：
    1)高性能浮點(diǎn)DSP，主頻高達(dá)200 MHz，運(yùn)算速度最高可達(dá)1600 MIPS；
    2)超長指令字(VLIW)DSP核：8個(gè)獨(dú)立功能單元(6個(gè)累加器和2個(gè)乘法器)，32個(gè)32 bit的通用寄存器的存儲(chǔ)裝載結(jié)構(gòu)，可以大大縮減代碼的指令包；
    3)L1／L2存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：4 KB L1P程序緩存，4 KB L1D數(shù)據(jù)緩存：256 KB L2內(nèi)存：其中64 K字節(jié)可配置成緩存或存儲(chǔ)器，192 K字節(jié)統(tǒng)一映像內(nèi)存，可以靈活地定位為程序／數(shù)據(jù)空間；
    4)32位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)：可配置異步存儲(chǔ)器接口，擴(kuò)展SRAM和E2PROM；可配置同步存儲(chǔ)器接口，可擴(kuò)展SDRAM和SBSRAM；可尋址512 MB外存空間；
    5)16位的HPI接口，可訪問CPU的任意可尋址空間；
    6)2個(gè)多通道緩存串口(McBSP)；
    7)2個(gè)I2C總線主／從模式接口；
    8)內(nèi)置靈活的PLL鎖相時(shí)鐘電路；
    9)支持1EEE-1149．1(JTAG)邊界掃描接口；10)16路GPIO接口。
    與其他DSP相比較而言，TMS320C6713的主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快、存儲(chǔ)配置方便、資源豐富，這些都給微控制器的設(shè)計(jì)帶來了很大的便利。

2 EMIF簡介
    TMS320C6000的EMIF接口，即外部存儲(chǔ)器接口(The External Memory Interface)，支持各種外部器件的無縫接口，包括：流水線式同步猝發(fā)SRAM(SBSRAM)；異步DRAM(SDRAM)；異步器件，包括SIAM、ROM和FIFO等；外部共享存儲(chǔ)器。
    簡單來說，EMIF接口就相當(dāng)于一個(gè)可配置的總線接口，其接口上面的信號(hào)線基本囊括了各種存儲(chǔ)器(SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等)的讀寫接口信號(hào)。通過軟件配置相應(yīng)的寄存器，可以使EMIF接口工作于和設(shè)計(jì)中使用的外部存儲(chǔ)器相匹配的固定的接口形式。但是與其他固定接口不同的是，EMIF接口讀寫時(shí)序中的高低電平的保持時(shí)間是可以通過寄存器設(shè)置的。
    下面就本次設(shè)計(jì)使用的TMS320C6713為例詳細(xì)介紹一下EMIF。TMS320C6713的EMIF可以通過下面兩種請求器處理外部總線請求：片內(nèi)加強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器存取EDMA控制器；外部共享存儲(chǔ)器的設(shè)備控制器。
    圖2是TMS320C6713的EMIF接口信號(hào)示意圖。

    圖2中，ECLKIN信號(hào)是系統(tǒng)提供的一個(gè)外部時(shí)鐘源。ECLKOUT信號(hào)是由內(nèi)部產(chǎn)生(基于ECLKIN)，所有與本控制器EMIF接口對(duì)接的存儲(chǔ)器必須工作在ECLKOUT下。SBSRAM接口、SDRAM接口和異步接口的信號(hào)合并復(fù)用。這里的CE1片選空間支持所有的3種存儲(chǔ)器接口。

    表1列出TMS320C6713的EMIF存儲(chǔ)器映射寄存器。通過設(shè)置這些寄存器，既可以將EMIF配置成為不同類型、不同位寬的總線接口，又可以配置總線讀寫時(shí)序的速度。由于EMIF接口的這一優(yōu)勢，設(shè)計(jì)者使用集成EMIF接口的控制芯片時(shí)，無論是擴(kuò)展外部存儲(chǔ)設(shè)備，還是利用EMIF接口進(jìn)行外部設(shè)備的讀取，其難度都大大降低。這在一定程度上也使得具有EMIF接口的高速控制核心(TMS320C6000系列的DSP)在將來能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。
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3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3．1 需求分析
    本設(shè)計(jì)硬件任務(wù)主要是完成對(duì)主電路的電壓、電流的采集，具體的要求如表2所示。

3．2 硬件設(shè)計(jì)
    圖3所示是TMS320C6713外圍的主要的功能框圖。

    如圖3所示，本設(shè)計(jì)的外圍器件主要包括：雙口RAM，用于與定點(diǎn)核DSP芯片(如TMS320F2812)交換數(shù)據(jù)；Boot Flash，當(dāng)程序的大小大于192 KB，用于存儲(chǔ)啟動(dòng)程序；SDRAM，用作運(yùn)行部分程序的存儲(chǔ)介質(zhì)；CPLD，用于邏輯擴(kuò)展；AD7865，用于采集電壓電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
    AD7865是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A／D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部有1個(gè)2．4μs的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，4個(gè)跟蹤／保持放大器，內(nèi)部2．5V參考電壓，同時(shí)片上還集成有時(shí)鐘振蕩器和1個(gè)高速并行接口。AD7865可大大簡化硬件電路設(shè)計(jì)。AD574轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，而AD7865完成四通道信號(hào)的同時(shí)轉(zhuǎn)換，則只需要100 μs。 AD7865內(nèi)部4個(gè)采樣通道的輸入信號(hào)是同步采樣的，只需發(fā)送1個(gè)脈沖的采樣啟動(dòng)信號(hào)，芯片將自動(dòng)完成采樣、逼近和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到片內(nèi)特定寄存器等工作，單路采樣速率350 KSPS，四路同時(shí)采集時(shí)100 kHz。
    根據(jù)設(shè)計(jì)需求可設(shè)定調(diào)理電路放大倍數(shù)為2倍(反相放大)，則實(shí)際值與A／D的采樣值之間的關(guān)系可由式(1)表示。
    實(shí)際值=采樣值／213x10／(-2)×傳感器系數(shù) (1)
    若采樣值為正數(shù)時(shí)可用式(1)，否則需先進(jìn)行求補(bǔ)處理。
    AD7865的前端調(diào)理電路如圖4所示。

    AD7865的外圍連接電路如圖5所示。

    TMS320C6713的EMIF接口各信號(hào)線可以根據(jù)EMIF接口的示意圖(圖2)連接。在這里需要注意的是各信號(hào)線的上拉、下拉和信號(hào)線上的限流等措施。可按照如下原則設(shè)計(jì)：1)地址線和數(shù)據(jù)線以及控制線出口處可以串聯(lián)33 Ω的電阻，以達(dá)到限流的效果；2)對(duì)于某些敏感信號(hào)(如片選／CEx信號(hào)，保有信號(hào)／HOLD等等)在默認(rèn)狀態(tài)下的電平，應(yīng)該通過上拉和下拉進(jìn)行確定。一般情況下，上拉電阻用10 kΩ的電阻，下拉電阻用1 kΩ的電阻。
    CPLD的主要功能主要是實(shí)現(xiàn)邏輯擴(kuò)展，在本設(shè)計(jì)中，CPLD的主要工作是在DSP6713和多片AD7865芯片之間進(jìn)行信號(hào)的解析和傳遞。選用的CPLD芯片是ALTERA公司的EPM570，該芯片相較于其他同類型的CPLD而言，配置簡單、存儲(chǔ)容量大而價(jià)格較低廉。其外圍電路比較簡單，可以參考ALTERA公司關(guān)于該芯片的引腳功能表，在此不做贅述。[!--empirenews.page--]

4 軟件實(shí)現(xiàn)與部分流程圖
4．1 EMIF接口的配置實(shí)現(xiàn)
    TMS320C6713要實(shí)現(xiàn)EMIF接口數(shù)據(jù)讀取的首要條件是正確配置EMIF接口的寄存器，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
    本設(shè)計(jì)將CE3作為外部AD的尋址空間，因此在這里主要需要配置的EMIF寄存器主要是全局控制寄存器GBLCTL和CE3空間控制寄存器。當(dāng)然，要正確地配置EMIF接口，必須要正確配置TMS320C6713的鎖相環(huán)(PLL)寄存器，在此處不具體說明。配置TMS320C6713的鎖相環(huán)(PLL)寄存器以后，就可以配置EMIF總線的幾個(gè)控制寄存器了。本設(shè)計(jì)中具體主要寄存器配置的幾個(gè)參數(shù)如下：
   
    本設(shè)計(jì)中采用的EMIF接口方式為32位異步接口(MTYPE=0010b)。雖然AD7865是14位MD轉(zhuǎn)換器，配置為16位寬的接口方式也可以了，但是實(shí)際上，由于內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)為了計(jì)算方便而采用了32位的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位寬通常為32位，在進(jìn)行外部讀取時(shí)，如果采用16位寬度，那么一次讀
取總線為了匹配數(shù)據(jù)長度，將要發(fā)送連續(xù)讀取兩次的讀信號(hào)，這在一定程度上雖然加快了A／D讀取的速度，但在后續(xù)數(shù)據(jù)處理方面則需要更多的操作和更多的時(shí)間，所以權(quán)衡各因素，采用32位寬異步接口方式。
4．2 實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)
    實(shí)際使用中，AD7865啟動(dòng)轉(zhuǎn)換只需要給出片選和ADCONV信號(hào)。而它的讀取方式有兩種：
    1)轉(zhuǎn)換過程中讀取數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)換一路讀取一路；
    2)所有通道的信號(hào)均轉(zhuǎn)換完成后再順序讀取各通道數(shù)據(jù)。
    兩種讀取方式的主要區(qū)別是：第1種讀取速度較快，但是時(shí)序要求較高，硬件連接復(fù)雜，增加軟硬件設(shè)計(jì)的難度；而第2種讀取速度相對(duì)較慢，但是時(shí)序要求不高，軟硬件設(shè)計(jì)也相對(duì)簡單?？紤]到系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)CPLD完成時(shí)序的能力較差，故本設(shè)計(jì)采用了第2種讀取方式。
實(shí)際采用的A／D轉(zhuǎn)換和讀取的主要流程如圖6所示。

5 測量結(jié)果
    本文完成輔助控制器的設(shè)計(jì)后，對(duì)軟硬件進(jìn)行測試。
    主要采用直流電源進(jìn)行測試，測試分為正向電壓、反向電壓(即認(rèn)為傳感器系數(shù)為1)。測試結(jié)果見表3。由表可知測試結(jié)果的誤差小于1％，完全符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語
    由測量數(shù)據(jù)和控制器的計(jì)算結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)完成了基于EMIF接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。由系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)誤差較小，可以滿足各類工程的需求。通過在線調(diào)試?？煽吹皆趯?shí)際采樣過程中，采樣數(shù)據(jù)是在一個(gè)值附近波動(dòng)，在某些對(duì)于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)度需求不是很高，而對(duì)數(shù)據(jù)的精確度需求較高的場合，可通過求取某一段較短時(shí)間內(nèi)的采樣平均值的方法來提高數(shù)據(jù)的精度。而且，由于控制器選用性能較高的TMS320C6000系列DSP，其性能和資源還有很大的可利用率。系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)完成以后，可以高速高精度的進(jìn)行電力系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算，比如三相電壓／電流和相位、有功功率和無功功率、功率因素以及諧波分析等計(jì)算。