數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如今已被廣泛使用，涉及工業(yè),、商業(yè),、交通、信息等各個行業(yè),，而在眾多平臺中,，DSP以其高速的運行速度、良好的硬件結(jié)構(gòu),、適合運算的硬件組成等一系列優(yōu)勢,。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獨樹一幟,，適合于數(shù)據(jù)高速、高精度的采集,、處理等領(lǐng)域,。
在一些領(lǐng)域中，系統(tǒng)要求速度快,，實時性較好,，數(shù)據(jù)處理精度高，本文以此為原則規(guī)劃了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體解決方案,，采用TI公司出品的TMS320VC5509型DSP芯片+CPLD可控制邏輯作為系統(tǒng)的核心部分,。系統(tǒng)主要由4部分組成：DSP最小系統(tǒng)、CPLD模塊,、信號調(diào)理和A／D轉(zhuǎn)換模塊,、顯示模塊、上位機系統(tǒng),。系統(tǒng)框架圖如圖1所示,。
其中，輸入的信號可以是各種形式,，可以是音頻信號,、編碼的數(shù)字信號、壓縮的圖像信號,，也可以是各種傳感器輸出的信號,。然后經(jīng)過濾波、放大電路輸入到A／D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，最后輸入到DSP中進(jìn)行計算和處理,。
另外，DSP可與上位機進(jìn)行通訊,、數(shù)據(jù)處理，還可以擴展顯示器,、鍵盤等外部設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行更加方便的操作,。
系統(tǒng)由DSP、電源及復(fù)位電路,、時鐘電路,、EMIF總線接口和仿真接口等部分組成，另外可以再外接上CPLD,、A／D,、顯示器、HPI主機接口等外圍模塊,，整個硬件系統(tǒng)便基本完成了,。下面將對硬件的各個部分進(jìn)行選型,。
1 DSP芯片的選型
DSP系統(tǒng)設(shè)計中，選擇DSP芯片至關(guān)重要,，只有選擇了合適的DSP才能進(jìn)行下一步的外圍電路設(shè)計,，總的來說，DSP芯片的選型是根據(jù)系統(tǒng)需要而確定,，主要考慮處理速度,、功耗、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量,、片內(nèi)的資源,，如定時器的數(shù)量、I／O口數(shù)量,、終端數(shù)量,、DMA通道數(shù)等。
本文選取TI公司生產(chǎn)的DSP芯片,，目前TI公司有3種系列的主流DSP芯片,，分別為C2000，C5000,，C6000系列,，C2000系列的芯片一般應(yīng)用于控制領(lǐng)域；C5000系列是16位定點,，速度為40～200 MIPS,，可編程，低功耗和高性能的DSP,，主要用于有線或無線通信等,；C6000系列是高性能DSP。綜合了目前DSP性價比高,，功耗低等一些優(yōu)點,，但價格較高。
綜上所述,，可以選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509芯片作為本系統(tǒng)的DSP芯片,。下面簡單總結(jié)了TMS320CV5509芯片的主要特點：
1)TMS320VC5509型DSP是一款高性能、低功耗的定點DSP,，它的內(nèi)部總線由1個程序總線,、3個數(shù)據(jù)總線、兩個數(shù)據(jù)寫總線組成,，這些總線使得DSP可以在一個周期內(nèi)實現(xiàn)讀3個數(shù)據(jù)和寫兩個數(shù)據(jù)的高性能,。它的內(nèi)核電壓在時鐘頻率為200 MHz的時候為1．6 V，管腳電壓在2．7～3．3 V的范圍內(nèi),，較低的內(nèi)核電壓和管腳電壓實現(xiàn)了DSP的低功耗,。
2)TMS320VC5509型DSP有豐富的片上外設(shè)功能,，有雙通道10 bit的A／D轉(zhuǎn)換器、1個可以訪問異步存儲器和同步存儲器的外部存儲接口(EMIF),、3個多通道緩存串口(MCBSP),、USB接口、I2C接口,、主從設(shè)備(HPI)接口等,，豐富的外設(shè)和管腳為DSP的擴展外圍設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)備選型及設(shè)計
2．1 A／D轉(zhuǎn)換模塊
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，A／D轉(zhuǎn)換模塊在系統(tǒng)中是最重要的一部分,，它的性能直接影響整個系統(tǒng)的好壞，選擇A／D轉(zhuǎn)換器時,，主要考慮以下幾個方面：分辨率,、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換時間及轉(zhuǎn)換器的價格等,。
由于本文是針對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計,，故綜合考慮，選用TI公司的AD轉(zhuǎn)換芯片ADS5422,。
ADS5422是14 bit的最高采樣頻率可達(dá)62 Msps的高速AD轉(zhuǎn)換芯片,，采用單-5 V電源供電，在采樣頻率為10 MHz時其最大動態(tài)范圍為82 dB,，最高信噪比達(dá)到72 dB,，其數(shù)字量輸出可以直接和5 V或者3．3 V的CMOS芯片連接，模擬量輸入的峰峰值為4 V,，可以直接輸入0．5～4．5 V的模擬量,，封裝形式為64腳的扁平四方封裝。
AD可以接受3 V或者5 V的TTL或者CMOS電平,。DSP可以為AD轉(zhuǎn)換器提供時鐘信號,，并且可以軟件設(shè)置輸入時鐘的各種特征量，包括時鐘頻率,、高電平寬度等,，基本上可以滿足AD5422對時鐘信號的要求。
ADS5422芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。
A／D的模擬信號輸入可以采用單端輸入方式和差分輸入方式兩種。兩種方式比較,，單端輸入方式接線簡單,，但抗噪性能差，而差分輸入方式具有較強的抗噪能力,，這樣可以盡量減少信號噪聲以及電磁干擾,。
2．2 DSP電源設(shè)計
TMS320VC5509芯片DSP采用低電壓分離式供電方式進(jìn)行供電,，這樣可以大大降低DSP芯片的功耗。其中芯片內(nèi)核采用1．8 V電壓供電,，外部I／O采用3．3 V電壓供電,。據(jù)此可以選擇TI公司的TPS73HD318芯片，該芯片是雙路輸出低壓降(LDO)穩(wěn)壓器,，最大電流750 mA,，可以將TPS7 0451的雙輸出配置成兩路不同的輸出，分別輸出1．8 V和3．3 V的電壓,，圖3為系統(tǒng)的電源電路簡圖,。
2．3 JTAG電路
JTAG是基于IEEE 1149．1標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測試方式(Boundary-scan Test)，結(jié)合仿真器和仿真軟件,，可訪問DSP的所有資源,，包括片內(nèi)寄存器以及所有的存儲器，從而提供實時的硬件仿真與調(diào)試環(huán)境,，便于開發(fā)人員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,。在大多數(shù)情況下，如果開發(fā)板和仿真器之間的連接電纜不超過6英寸,，可以采用圖4的接法,。但應(yīng)該注意，DSP的EMU0和EMU1引腳都需要上拉電阻,，推薦值為4．7 kΩ或者10 kΩ,。如果DSP和仿真器之間的連接電纜超過6英寸，則需要另加緩沖驅(qū)動電路,。
2．4 時鐘電路
TMS320VC5509的外部時鐘從CLKIN引腳輸入,，在內(nèi)部修改這個信號，來產(chǎn)生希望頻率的輸出時鐘,，時鐘發(fā)生器將這個輸出時鐘(即CPU時鐘)送給CPU,、外設(shè)和其他的內(nèi)部模塊。也可以用可編程的時鐘分頻器對CPU時鐘分頻,，在CLKOUT引腳輸出,。時鐘發(fā)生器中還有一個時鐘模式寄存器(CLKMD)，用來控制和監(jiān)視時鐘發(fā)生器,，它可以控制時鐘發(fā)生器進(jìn)入兩種工作模式：
1)旁路模式,，PLL被旁路掉，輸出時鐘的頻率就等于輸入時鐘的頻率除以1,、2,、4。
2)鎖定模式，輸入時鐘既可以乘以或除以一個系數(shù)來獲得期望的輸出頻率,，并且輸出時鐘相位與輸入信號鎖定,。
在鎖定模式下，輸出頻率由下面的公式計算：
輸出頻率=(PLL MULT／(PLL DIV+1))×輸入時鐘頻率
在此,，可以選擇時鐘發(fā)生器工作在鎖定模式,，即CLKMD的PLL ENABLE為1，外部振蕩晶體可以為10～20 MHz,。根據(jù)外部振蕩晶體與DSP內(nèi)部時鐘信號,，可以計算出相應(yīng)的PLLMULT與PLL DIV值，圖5為DSP的外部時鐘電路,。
2．5 DSP外擴存儲器
在TM320VC5509芯片中,，有一個外部存儲器接口(EMIF)，它為3種類型的存儲器提供了無縫接口：異步存儲器,，包括ROM,，F(xiàn)LASH以及異步SRAM；同步突發(fā)SRAM(SBSRAM),，工作在1倍或1／2倍CPU時鐘頻率,；同步DRAM(SDRAM)，可以工作在1倍或1／2倍CPU時鐘頻率,，可以根據(jù)系統(tǒng)需要擴展存儲器,。圖6為EMIF的輸入輸出框圖。
比如,，可以對DSP進(jìn)行FLASH擴展,，可以將FLASH作為其外部程序存儲器，供DSP上電時啟動載入程序(BOOTLOAD)使用,，其作用是將FLASH中保存的程序載入到DSP中運行,。在與DSP的連接上，可以將FLASH的地址和數(shù)據(jù)總線連接到DSP的EMIF接口總線上,，F(xiàn)LASH的片選信號連接到DSP的CE1引腳,，配置成CE1空間，CE1引腳在上電復(fù)位后為低電平,。此外,，F(xiàn)LASH的讀寫信號分別連接到EMIF接口的讀寫信號引腳上。
當(dāng)然,，根據(jù)系統(tǒng)的需要,，也可以利用EMIF接口對其他存儲器進(jìn)行外擴，具體方法可查閱相關(guān)技術(shù)手冊,。
2．6 其他外圍硬件電路
1)根據(jù)系統(tǒng)的要求,，可以對DSP系統(tǒng)擴展液晶顯示模塊,，目前，液晶顯示模塊型號眾多,，用戶完全可以根據(jù)自身需要選擇一塊適合的液晶顯示模塊。
但是由于LCD是典型的慢速設(shè)備(相對于DSP來說),，在和高速微處理器接口時,，會耗費大量時間，這是不允許的,。如果DSP處理余量較小,，可以考慮采用CPLD在DSP和LCD之間設(shè)計一條雙向的快速通道，來實現(xiàn)對LCD的控制,，也就是說,，把DSP處理完的數(shù)據(jù)送給CPLD，然后由CPLD來控制并模擬LCD的讀寫時序來完成數(shù)據(jù)的顯示,，這樣可以大大節(jié)省DSP的資源,。
2)在系統(tǒng)的開發(fā)板上，可以加入信號燈,，用于指示最小系統(tǒng)的的電源情況,，當(dāng)電源指示燈出現(xiàn)異常時可及時斷電。以保護(hù)電路不被損壞,。通常,，可以設(shè)置+5 V的電源指示燈(電路板供電正常)、電壓轉(zhuǎn)換輸出3．3 V指示燈(I／O供電正常),、電壓轉(zhuǎn)換輸出1．8 V指示燈(內(nèi)核供電正常)以及其他信號指示燈,。
3 總結(jié)
本文簡單介紹了以TMS320VC5509芯片為核心處理器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計，在實際應(yīng)用中,，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)需要,，具體設(shè)計合適的硬件電路，然后在進(jìn)行軟件和算法方面的編寫,，最后達(dá)到系統(tǒng)要求,。
另外，根據(jù)不同信號處理的要求,，還可對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步完善：如增加USB控制器,、完善總線功能及對擴展外存的進(jìn)一步研究等，從而使系統(tǒng)更加廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜工程領(lǐng)域,。