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基于TMS320F2812的高速DSP数据采集系统设计与实现
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更新于2024-06-24
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随着计算机和信息技术的飞速进步,数字信号处理(DSP)技术已成为现代科技领域的核心技术,特别是在语音识别、工业自动化和智能检测等领域发挥着至关重要的作用。本篇学位论文详细探讨了基于数字信号处理器(DSP)的数据采集系统设计,重点在于如何构建一个高效、实时且低成本的系统。 论文首先介绍了设计目标,即采用TMS320F2812这样的高性能DSP作为核心处理器,其丰富的片内外设能够简化电路设计,降低开发成本,缩短开发周期。作为数据采集和处理的中心,F2812因其内置的模数转换器(ADC)被选为模数转换模块,确保了系统在精度上的基本需求。作者还强调了通过级联同步采样技术来提升采集速度,以适应对实时性要求极高的应用。 文中特别关注了电源供电策略,因为TMS320F2812的上电顺序与其他DSP有所不同,需要特别设计以避免潜在的启动问题。针对大型图像数据采集需求,外部存储扩展成为了必要,论文提出了一种结合DSP芯片存储结构的解决方案,以扩展片外存储空间。 软件设计是系统的关键组成部分,论文详述了从系统初始化、数据采集、模数转换、处理算法到数据通信的整个流程。其中,USB接口的固件开发是数据传输的关键环节,作者深入剖析了USB通信协议的实现和优化,确保了数据高效稳定地上传至PC进行进一步处理。 论文的关键词涵盖了主要讨论的主题,包括“数字信号处理器”、“数据采集”和“USB”,突出了研究的核心技术点。整体而言,这篇论文提供了一个实用且理论结合实践的设计方案,对于理解和应用基于DSP的数据采集系统具有很高的参考价值。通过深入研究这些技术细节,读者可以了解到如何有效地利用DSP进行实时数据处理,为相关领域的工程项目提供有价值的指导。
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第2章 系统的实现方案
2.1 采集处理系统分析
本数据采集处理系统采用内部有模数转换起的 DSP 作为主处理器,这是一
种结构简单、功能强大、经济实用的多通道高速数据采集处理系统,不仅具有
数据采集与传输功能,同时具有运动控制功能。它由机械运动、传感器、数据
采集、数据处理等几个部分组成。它通过传感器部分将光学标记信号转化为电
信号,再通过数据采集部分将电信号转化为数字信号,并由数字信号处理部分
进行相应的处理,根据采集到的数据结果来控制设备进行相应的运动,并且将
采集处理后的结果传诵到计算机系统。
根据设计要求,结合目前市场使用情况,本系统选用 TI 公司新近推出的专
门用于控制领域的 TMS320F2812。这是一款 32 位 DSP 芯片,它的体系结构是
专为实时控制及实时信号处理而设计,其所配置的片内外设为本系统提供了一
个理想的解决方案。其中它的通用 12 位 16 通路 A/D 电路、定时器、脉宽调制
PWM 电路、捕捉器、光电编码器、串行通信接口、看门够等片内外设为 DSP
应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了丰富的资源。
图 2-1 系统的总体设计框图
本系统是一个高速信号采集处理系统,其基本结构如图 2-1 所示。系统的
工作流程为:本数据采集处理系统通过 USB 接口接受 PC 机命令,进行数据采
集与数据传输;启动步电机控制传感器采集数据然后变为电信号;再经过信号
调 理 达 到 DSP 的 输 入 电 压 标 准 后 , 使 用 F2812 芯 片 内 部 的 模 数 转 换 模 块
(ADC)进行数据的采集及 A/D 转换;转换后的数据预先存储到片外的 RAM
中,再经 DSP 进行前端的数字信号处理后,通过 USB 总线传给上位机,并在
上位机上进行存储、显示和分析。
根据系统各部分的功能的不同,可将系统分为输入信号调理模块、数字信
号处理模块和 USB 模块。期中输入信号调理模块主要是对被采集的模拟信号进
行调理(如电平变换和滤波),以满足数字电路对信号的要求;数字信号处理模
传感器
TMS320F2812
步进电机
电源
SRAM
USB
上位机
信号调理
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块是对输入的电信号进行采集和处理,主要由 DSP 和一些必要的外设组成,
DSP 负责数据采集及一些实时处理,同时要完成系统的逻辑和时序控制;USB
模块则将 DSP 处理完的结果传送到上位机上去进行显示、计算和分析。该系统
完全可以满足信号采集处理对高精度及实时性的要求,由于系统的数据量较
大,因此需要一种高速的数据传输方式,而 USB2.0 总线传输速度快,能达到
480Mbit/s 的速度,满足了本系统数据传输的需要。该系统要求采样的精度到 8
位数字量,用 F2812 自带的 ADC 模块就可达到很好的效果,省去了专用的
ADC 芯片,使系统的时序控制变得简单,从而降低了系统的复杂性,也节约了
成本。
2.2 系统的器件选型
本系统设计的目的在于开发体积小、成本低的采集处理系统。所以在满足
系统要求的前提下,在器件选择方面尽可能减少系统资源的冗余,提高系统的
集成度。
2.2.1 微处理器的选型
目前的微处理器分为通用处理器、单片机和 DSP 三大类。DSP 与单片机、
传统的通用微处理器相比具有很大的优越性。与目前普遍采用的单片机相比,
DSP 具有较高的集成度并具有更快的运行速度,DSP 器件比 16 位单片机单指令
执行时间快 8~10 倍,在乘法处理上,DSP 的优势更为明显,完成一次乘累加运
算快 16~30 倍。这一性能决定了 DSP 的应用领域主要集中在较复杂的算法处理
中,如:数字图象处理、数字语音编码等领域,而单片机则主要用于工业控制
等对处理速度和处理性能要求较抵的环境
[7]
。
DSP 芯片也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算
的微处理器,其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法。DSP 芯片
是实现数字信号处理技术的硬件支持,是数字信号处理技术与数字信号处理应
用之间的桥梁和纽带,随着全球集成电路事业的发展,美国的 TI 公司成为世界
上最大的 DSP 芯片供应商,其 DSP 市场份额占全世界份额近 50%,其 DSP 产
品 根 据 功 能 氛 围 三 个 系 列 TMS320C2000 系 列 , TMS320C5000 系 列 ,
TMS320C6000 系列,本系统选用的就是 TI 的 2000 系列的 TMS320F2812 芯
片。随着信息技术的不断发展 DSP 必将得到更加广泛的应用。通用 DSP 芯片一
般具有如下主要特点
[8-10]
:
1.多总线结构。世界上最早的微处理器是基于冯·诺伊曼结构的,其取指
令、取数据都是通过同一条总线完成的,因此必须分时进行,在高速运算时,
往往传输通道上会出现瓶颈效应。而 DSP 内部采用的哈佛(Harvard)结构,它
在片内至少有四套总线;程序地址总线、程序数据总线、数据的地址总线和数
据的数据总线。这中分离的程序和数据总线,可允许同时获得来自成局存储器
的指令字和来自数据存储器的操作数而互不干扰,这样使得其可以同时对数据
和程序进行寻址。
2.指令系统的流水线操作。在改进的哈佛结构的基础上,大多数 DSP 芯
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片又引入了流水线操作以减少每条指令的执行时间,从而进一步增强处理器的
楚剧处理能力。在执行本条指令的同时,下面的指令已依次完成取操作数、解
码、去指令操作,从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时
间。
3.专用硬件乘法器。硬件乘法器功能是 DSP 实现快速运算的重要保障。
在一般计算机上,算术逻辑单远(ALU)只能完成俩个操作数的加、减法及逻
辑运算,而乘法(或除法)则由加法和移位来实现。而 DSP 器件配有独立的乘
法器和加法器,单个周期可以完成相乘、累加俩个运算,大大提高了运算效
率。
4.快速的指令周期。CMOS 技术、先进的工艺及集成电路的优化设计、工
作电压的下降(5V,3.3V,1.8V),使得 DSP 芯片的主频不断提高。目前 C64
×DSP 高速时钟已达 1.1GHZ。随着微电子技术的发展以近 RISC 设计思想在
DSP 芯片设计和生产中的全面体现,工作频率将继续提高,指令周期进一步缩
短。
DSP 的选型主要考虑处理速度、功耗、程序存储器和数据存储器的容量、
片内的资源,如定时器的数量、I/O 口的数量、中断数量、DMA 通道数等。
DSP 的主要供应商有 TI,ADI,Motorola,Lucent 和 Zilog 等,其中 TI 占有最
大的市场份额。而 TMS320F281x 系列数字信号处理器是 TI 公司最新推出的数
字信号处理器,该处理器是基于 TM320C2xx 内核的定点数字信号处理器
[11]
。
器件上集成了多种先进的外设,代码和指令与 F24x 系列数字信号的处理器完全
兼容。F28x 系列数字信号处理器提高了运算精度(32 位)和系统的处理能力
(达到 150MIPS)下面列出 TMS320F2812 的主要特征:
1.采用高性能静态 CMOS 技术,主频达到 150MHZ(时钟周期 6.67ns),
1.9V 核心低电压设计。
2.高性能 32 位 CPU,哈佛总线结构,4MB 的程序/数据寻址空间。
3.存储空间:18k×16 位 0 等待周期片上 SRAM 和 128K×16 位片上
FLASH(存储时间 36ns);3 个独立的片选信号,最多 1MB 的寻址空间。
4.丰富的片内外设:
俩个事件管理器 EVA 和 EVB,每个事件管理器模块包括定时器、比较
器、捕捉单元、PWM 逻辑电路、正交编码脉冲电路以及中断逻辑电路
等;
一个模数转换模块 ADC(Analog-to-Dignal Converter);
3 个 32 位 的 CPU 定 时 器 ; 2 个 异 步 串 行 通 信 接 口 SCI ( Serial
Communications Interface);
一个高速同步串行口 SPI(Serial Peripheral Interface);
最高通信速率可达到 1Mbps 的增强型 CAN 接口(Enhanced Controller
Area Network);
多通道缓冲串行接口 McBSP(Multichannel Buffered Serial Port);
56 个通用目的数字量 I/O 即 GPIO 模块;
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