基于TMS320F2812與AD7610的數據采集傳輸系統設計

尤焜，雷彪

（91550部隊，遼寧大連，116023）

0 引言

數據采集是測量系統中不可或缺的組成部分。在航天控制中,飛行器姿態量的采集、發射裝置和動力系統的工作參數、結構動響應參數、環境參數的采集等均需要對高速連續變化的模擬信號進行同步數據采集或者與外部設備進行數字量的異步通信。因此數據的高速、高精度采集,保證數據的完整性、有效性是系統可靠工作必須滿足的基本條件之一。本系統由DSP、CPLD可控邏輯模塊、A/D、以太網控制芯片、總線接口等部分組成。經過濾波、放大將采集信號輸入到 A/D 轉換器中進行模數轉換，最后輸入到DSP中進行計算和處理。另外，上位機通過以太網接口實現對采集控制系統的參數裝訂、狀態監視、采集控制、數據轉存等功能操作。

1 DSP 芯片的選型

DSP系統設計中，選擇DSP芯片至關重要，只有選擇了合適的DSP才能進行下一步的外圍電路設計，總的來說，DSP 芯片的選型是根據系統需要而確定，主要考慮處理速度、功耗、程序存儲器和數據存儲器的容量、片內的資源，如定時器的數量、I/O 口數量、終端數量、DMA 通道數等。

本文選取TI公司生產的DSP 芯片，目前TI公司有4大系列的主流 DSP 芯片，分別為 C2000，C5000，C6000，OMAP系列。C2000系列是一個控制器系列，該系列中的一些型號具有片內FLASH RAM，作為控制器，除了有一個DSP核以外，還有大量的外設資源，如A/D、定時器、各種串口（同步或異步）、數字IO腳等，特別是異步串口可以與PC的UART相連，也是TI所有DSP中唯一具有異步串口的系列；C5000系列是一個定點低功耗系列，所以最適合個人與便攜式上網以及無線通信應用，如手機、PDA、GPS等；C6000系列是一個32位的高性能的DSP芯片，最適合寬帶網絡和數字影像應用，但幾乎都只提供BGA球形封裝，在PCB板制作時需要多層板，增加了開發和調試的難度，同時功耗較大，需要仔細考慮DSP與系統其他部分的電力分配；OMAP系列集成ARM 的命令及控制功能，另外還提供 DSP 的低功耗實時信號處理能力，最適合移動上網設備和多媒體家電。其他系列的 DSP 曾經有過風光，但現在都非TI主推產品了，除了 C3X 系列外，其他基本處于淘汰階段，如：C3X 的浮點系列：C30，C31，C32C2X和 C5X 系列：C20，C25，C50每個系列的 DSP 都有其主要應用領域[1]。

綜上所述， 可以選擇TI公司生產的TMS320F2812芯片作為本系統的DSP芯片。下面簡單總結了TMS320F2812芯片的主要特點[2-3]。

（1）TMS320F2812數字信號處理器是TI公司推出的32位定點控制器,采用8級指令流水線,最高速度每秒可執行1.5億條指令，最高主頻150MHz,并且提供浮點數學函數庫,可以在定點處理器上方便地進行浮點運算極大提高了芯片的處理速度,保證了信號處理的精確與實時性。

（2）TMS320F2812采用可調整的哈佛總線結構和循環尋址方式,利用多總線在內外存儲器、外圍模塊和間進行數據交換。多總線結構使其可以在一個周期內并行完成取指令、讀數據和寫數據操作,從而提高處理器的數據處理能力。TMS320F2812在數據采集方面的特點如表1所示。

表1 TMS320F2812數據采集特點

2 系統硬件設備選型及設計

2.1 A/D 轉換模塊

在數據采集系統中，A/D 轉換模塊在系統中一部分，它的性能直接影響整個系統的好壞，選器時，主要考慮以下幾個方面：分辨率、轉換精及轉換器的價格等。由于本文是針對高速數據采集系統的設計慮，選用 ADI 公司的 AD 轉換芯片 AD7610。

AD7610是一款快速、低功耗、高精度、16位模數轉換器(ADC)，采用逐次逼近型容性數模轉換器(CDAC)架構，可以隨時使用并行或串行硬件模式輸入，或在串行軟件模式中通過配置寄存器，使用專用的僅可進行寫操作的SPI兼容接口，將輸入范圍配置為四種范圍之一。支持0至5 V、0至10 V、±5 V和±10 V輸入范圍，能夠每秒轉換250,000個樣本(250kSPS)，功耗與吞吐量成線性比例關系，因而適合電池供電系統。AD7610為用戶提供片內采樣保持、逐次逼近型ADC，沒有任何流水線延遲，堪稱多路復用多通道應用的理想之選。對于單極性輸入范圍，AD7610一般需要三個電源：VCC、AVDD(可為DVDD供電)和OVDD(可與5 V、3.3 V或2.5V數字邏輯接口)。對于雙極性輸入范圍，AD7610需要使用額外的VEE電源。該器件采用無鉛48引腳LQFP封裝或微型LFCSP 7 mm×7mm封裝，既節省空間又很靈活。此外，AD7610可以配置為并行或串行SPI兼容接口。圖1顯示使用內部基準電壓、串行數據和串行配置接口的AD7610典型連接圖。

2.2 系統總線的組成

采集控制器系統總線是以微處理器為中心的面向處理機結構的并行協議總線，總線共52條，是由數據總線、地址總線、IO控制總線及讀寫控制線幾部分組成。其中，數據總線16條、地址總線16條、可控IO線14條、其他控制線8條，總線數據傳輸速率10MHz，并具有仲裁功能。系統總線工作框圖如圖2所示。

圖1 使用串行接口和串行可編程端口連接圖

圖2 系統總線工作框圖

CPLD為總線驅動器，采用的芯片的是ALTERA公司的EPM7064AETI410的芯片，CPLD的主要特點是集成度高、體積小、邏輯更改方便及可編程。總線主要分為數據總線、地址總線、可控IO線和其它控制線。

（1）數據總線（16條）

數據線為雙向的IO端口，為增強總線驅動能力，在主控制板上增加了一個雙線總線驅動器74LVT16245芯片，可用IO或讀寫（W/R）線來控制數據的方向。

（2）地址總線（16條）

地址線為單向的IO端口，在主控制板上也增加了一個雙線總線驅動器74LVT16245芯片，用于增強總線驅動能力，其輸出方向確定為一個方向，即主控制板對雙口RAM。

（3）可控IO線（14條）

可控IO線用了8個IO（MIO0～MIO7），用這8個IO在CPLD中來生成使能信號。8個IO可產生256個片選使能信號，用來片選控制256個通道。

（4）其它控制線（8條）

其它控制線共8條，其中讀信號線2條、寫信號線2條、片選線2條。另外為消除原采集存儲板A/D采集同步性的累積誤差，采取了所有采集存儲板用一個A/D采樣時鐘，增加兩條A/D采樣時鐘線，解決了由于時鐘的不同步性產生的A/D采集時間累積誤差的問題。

2.3 雙口 RAM

增加雙口RAM目的是為了實現系統在采集過程中的實時監控功能[4]。當CPU在采樣過程中先將AD的采樣數據放在靜態RAM中，然后再將數據存入電子盤。當采樣率比較高的時候CPU的工作頻率也就相對比較高。這時靠CPU再與上位機進行數據交換已經來不及了。在不影響采集存儲的情況下只有靠主控板自己的CPU把數據從采集RAM取走傳給上位機。普通單口RAM只有一個讀寫操作口無法實現上述功能，而雙口RAM有左右兩個讀寫操作口，這樣就可以實現了邊存儲邊顯示的功能了。而且為增加總線數據傳輸的速度和方便性，將雙口RAM的存儲區劃分幾個不同的區域，每塊采集板的所有要與主控板進行交換的數據及命令都靠取RAM中不同區域數據來實現。根據需要選用IDT公司的IDT70V28L芯片，其存儲容量為64k X 16位，電源為3.3V。該芯片典型功耗為440mW，待機功耗僅660μW。

2.4 網絡傳輸設計

網絡傳輸設計主要包括以太網驅動程序設計和嵌入式TCPIIP協議棧的實現。

以太網驅動程序設計主要為DSP對RTL8019AS的讀寫控制。系統首先初始化RTL8019AS，對網絡模塊進行復位，然后向相應的寄存器傳送正確的配置字，以確保它在正確模式下工作，后便可以進行數據傳送。

嵌入式TCP/IP協議棧的實現是軟件設計中最重要的部分，本設計在TMS320F2812上移植一個精簡的嵌入式TCP/IP協議棧，考慮到嵌入式系統的硬件條件限制，對原協議棧進行了刪減，保留了其基本功能，該協議棧主要包括ARP, IP, UDP協議。協議輸入輸出處理如圖3所示。

圖3 協議輸入輸出處理流程圖

由圖3可知，網絡接口模塊在收到數據包以后，先判斷以太網地址頭中的目的地址是否一致，如果一致，則進行處理然后根據地址頭中的標識FrameType進行報文類型判斷，如果是IP報文，則傳給IP模塊。如果是ARP報文，則轉入ARP處理模塊。IP模塊收到數據后，同樣對IP報頭進行處理，根據服務類型的不同，將數據傳送給UDP模塊進行處理。而向以太網發送數據時，數據首先由應用程序產生，經UDP模塊、IP模塊(或ARP模塊)加上各自的報頭，由網絡接口模塊進行以太網數據封裝，再向以太網發送數據報[5]。

3 結語

本文介紹了以TMS320F2812和AD7610為核心的數據采集傳輸系統的主要硬件設計，充分利用低功耗芯片和大容量存儲介質等的高新技術，增強了測量設備的綜合測試能力，解決了以往采集系統采集時間短、數據容量小、不能實時傳輸數據等問題。經過多次試驗驗證,該系統數據采集精度高、速度快,完全滿足使用要求,可以推廣應用。

參考文獻

[1]王念旭.DSP基礎與應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[2]蘇奎峰,呂強,耿慶峰,等.TMS320F2812原理與開發[M].北京:電子工業出版社,2006.

[3]三星科技.TMS320F2812DSP原理與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2009.

[4]呂雪峰,吳書朝.一種基于TMS320F2812的數據采集系統[J].工業控制計算機,2006,19(1):12-13.

[5]黃勇,吳運金.基于網絡通信的DSP數據采集系統[J].水雷戰與艦船防護,2011,19(1):63-64.