基于TMS320F2812与AD7610的数据采集传输系统设计

尤焜，雷彪

（91550部队，辽宁大连，116023）

0 引言

数据采集是测量系统中不可或缺的组成部分。在航天控制中,飞行器姿态量的采集、发射装置和动力系统的工作参数、结构动响应参数、环境参数的采集等均需要对高速连续变化的模拟信号进行同步数据采集或者与外部设备进行数字量的异步通信。因此数据的高速、高精度采集,保证数据的完整性、有效性是系统可靠工作必须满足的基本条件之一。本系统由DSP、CPLD可控逻辑模块、A/D、以太网控制芯片、总线接口等部分组成。经过滤波、放大将采集信号输入到 A/D 转换器中进行模数转换，最后输入到DSP中进行计算和处理。另外，上位机通过以太网接口实现对采集控制系统的参数装订、状态监视、采集控制、数据转存等功能操作。

1 DSP 芯片的选型

DSP系统设计中，选择DSP芯片至关重要，只有选择了合适的DSP才能进行下一步的外围电路设计，总的来说，DSP 芯片的选型是根据系统需要而确定，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 口数量、终端数量、DMA 通道数等。

本文选取TI公司生产的DSP 芯片，目前TI公司有4大系列的主流 DSP 芯片，分别为 C2000，C5000，C6000，OMAP系列。C2000系列是一个控制器系列，该系列中的一些型号具有片内FLASH RAM，作为控制器，除了有一个DSP核以外，还有大量的外设资源，如A/D、定时器、各种串口（同步或异步）、数字IO脚等，特别是异步串口可以与PC的UART相连，也是TI所有DSP中唯一具有异步串口的系列；C5000系列是一个定点低功耗系列，所以最适合个人与便携式上网以及无线通信应用，如手机、PDA、GPS等；C6000系列是一个32位的高性能的DSP芯片，最适合宽带网络和数字影像应用，但几乎都只提供BGA球形封装，在PCB板制作时需要多层板，增加了开发和调试的难度，同时功耗较大，需要仔细考虑DSP与系统其他部分的电力分配；OMAP系列集成ARM 的命令及控制功能，另外还提供 DSP 的低功耗实时信号处理能力，最适合移动上网设备和多媒体家电。其他系列的 DSP 曾经有过风光，但现在都非TI主推产品了，除了 C3X 系列外，其他基本处于淘汰阶段，如：C3X 的浮点系列：C30，C31，C32C2X和 C5X 系列：C20，C25，C50每个系列的 DSP 都有其主要应用领域[1]。

综上所述， 可以选择TI公司生产的TMS320F2812芯片作为本系统的DSP芯片。下面简单总结了TMS320F2812芯片的主要特点[2-3]。

（1）TMS320F2812数字信号处理器是TI公司推出的32位定点控制器,采用8级指令流水线,最高速度每秒可执行1.5亿条指令，最高主频150MHz,并且提供浮点数学函数库,可以在定点处理器上方便地进行浮点运算极大提高了芯片的处理速度,保证了信号处理的精确与实时性。

（2）TMS320F2812采用可调整的哈佛总线结构和循环寻址方式,利用多总线在内外存储器、外围模块和间进行数据交换。多总线结构使其可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据操作,从而提高处理器的数据处理能力。TMS320F2812在数据采集方面的特点如表1所示。

表1 TMS320F2812数据采集特点

2 系统硬件设备选型及设计

2.1 A/D 转换模块

在数据采集系统中，A/D 转换模块在系统中一部分，它的性能直接影响整个系统的好坏，选器时，主要考虑以下几个方面：分辨率、转换精及转换器的价格等。由于本文是针对高速数据采集系统的设计虑，选用 ADI 公司的 AD 转换芯片 AD7610。

AD7610是一款快速、低功耗、高精度、16位模数转换器(ADC)，采用逐次逼近型容性数模转换器(CDAC)架构，可以随时使用并行或串行硬件模式输入，或在串行软件模式中通过配置寄存器，使用专用的仅可进行写操作的SPI兼容接口，将输入范围配置为四种范围之一。支持0至5 V、0至10 V、±5 V和±10 V输入范围，能够每秒转换250,000个样本(250kSPS)，功耗与吞吐量成线性比例关系，因而适合电池供电系统。AD7610为用户提供片内采样保持、逐次逼近型ADC，没有任何流水线延迟，堪称多路复用多通道应用的理想之选。对于单极性输入范围，AD7610一般需要三个电源：VCC、AVDD(可为DVDD供电)和OVDD(可与5 V、3.3 V或2.5V数字逻辑接口)。对于双极性输入范围，AD7610需要使用额外的VEE电源。该器件采用无铅48引脚LQFP封装或微型LFCSP 7 mm×7mm封装，既节省空间又很灵活。此外，AD7610可以配置为并行或串行SPI兼容接口。图1显示使用内部基准电压、串行数据和串行配置接口的AD7610典型连接图。

2.2 系统总线的组成

采集控制器系统总线是以微处理器为中心的面向处理机结构的并行协议总线，总线共52条，是由数据总线、地址总线、IO控制总线及读写控制线几部分组成。其中，数据总线16条、地址总线16条、可控IO线14条、其他控制线8条，总线数据传输速率10MHz，并具有仲裁功能。系统总线工作框图如图2所示。

图1 使用串行接口和串行可编程端口连接图

图2 系统总线工作框图

CPLD为总线驱动器，采用的芯片的是ALTERA公司的EPM7064AETI410的芯片，CPLD的主要特点是集成度高、体积小、逻辑更改方便及可编程。总线主要分为数据总线、地址总线、可控IO线和其它控制线。

（1）数据总线（16条）

数据线为双向的IO端口，为增强总线驱动能力，在主控制板上增加了一个双线总线驱动器74LVT16245芯片，可用IO或读写（W/R）线来控制数据的方向。

（2）地址总线（16条）

地址线为单向的IO端口，在主控制板上也增加了一个双线总线驱动器74LVT16245芯片，用于增强总线驱动能力，其输出方向确定为一个方向，即主控制板对双口RAM。

（3）可控IO线（14条）

可控IO线用了8个IO（MIO0～MIO7），用这8个IO在CPLD中来生成使能信号。8个IO可产生256个片选使能信号，用来片选控制256个通道。

（4）其它控制线（8条）

其它控制线共8条，其中读信号线2条、写信号线2条、片选线2条。另外为消除原采集存储板A/D采集同步性的累积误差，采取了所有采集存储板用一个A/D采样时钟，增加两条A/D采样时钟线，解决了由于时钟的不同步性产生的A/D采集时间累积误差的问题。

2.3 双口 RAM

增加双口RAM目的是为了实现系统在采集过程中的实时监控功能[4]。当CPU在采样过程中先将AD的采样数据放在静态RAM中，然后再将数据存入电子盘。当采样率比较高的时候CPU的工作频率也就相对比较高。这时靠CPU再与上位机进行数据交换已经来不及了。在不影响采集存储的情况下只有靠主控板自己的CPU把数据从采集RAM取走传给上位机。普通单口RAM只有一个读写操作口无法实现上述功能，而双口RAM有左右两个读写操作口，这样就可以实现了边存储边显示的功能了。而且为增加总线数据传输的速度和方便性，将双口RAM的存储区划分几个不同的区域，每块采集板的所有要与主控板进行交换的数据及命令都靠取RAM中不同区域数据来实现。根据需要选用IDT公司的IDT70V28L芯片，其存储容量为64k X 16位，电源为3.3V。该芯片典型功耗为440mW，待机功耗仅660μW。

2.4 网络传输设计

网络传输设计主要包括以太网驱动程序设计和嵌入式TCPIIP协议栈的实现。

以太网驱动程序设计主要为DSP对RTL8019AS的读写控制。系统首先初始化RTL8019AS，对网络模块进行复位，然后向相应的寄存器传送正确的配置字，以确保它在正确模式下工作，后便可以进行数据传送。

嵌入式TCP/IP协议栈的实现是软件设计中最重要的部分，本设计在TMS320F2812上移植一个精简的嵌入式TCP/IP协议栈，考虑到嵌入式系统的硬件条件限制，对原协议栈进行了删减，保留了其基本功能，该协议栈主要包括ARP, IP, UDP协议。协议输入输出处理如图3所示。

图3 协议输入输出处理流程图

由图3可知，网络接口模块在收到数据包以后，先判断以太网地址头中的目的地址是否一致，如果一致，则进行处理然后根据地址头中的标识FrameType进行报文类型判断，如果是IP报文，则传给IP模块。如果是ARP报文，则转入ARP处理模块。IP模块收到数据后，同样对IP报头进行处理，根据服务类型的不同，将数据传送给UDP模块进行处理。而向以太网发送数据时，数据首先由应用程序产生，经UDP模块、IP模块(或ARP模块)加上各自的报头，由网络接口模块进行以太网数据封装，再向以太网发送数据报[5]。

3 结语

本文介绍了以TMS320F2812和AD7610为核心的数据采集传输系统的主要硬件设计，充分利用低功耗芯片和大容量存储介质等的高新技术，增强了测量设备的综合测试能力，解决了以往采集系统采集时间短、数据容量小、不能实时传输数据等问题。经过多次试验验证,该系统数据采集精度高、速度快,完全满足使用要求,可以推广应用。

参考文献

[1]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[2]苏奎峰,吕强,耿庆峰,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2006.

[3]三星科技.TMS320F2812DSP原理与应用实例[M].北京:电子工业出版社,2009.

[4]吕雪峰,吴书朝.一种基于TMS320F2812的数据采集系统[J].工业控制计算机,2006,19(1):12-13.

[5]黄勇,吴运金.基于网络通信的DSP数据采集系统[J].水雷战与舰船防护,2011,19(1):63-64.