基于DSP與CPLD的多通道數據采集系統(tǒng)

用于實時控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)經常需要對模擬量進行測量，通常的方法是以MCU為主產生采集控制時序控制模數轉換器，并通過中斷或查詢的方式讀取轉換后的結果。由MCU產生采集控制時序將占用較多的系統(tǒng)軟硬件資源。而在一般復雜的多路信號測控系統(tǒng)中，MCU需要進行數據存儲，通訊，數據處理等多項工作，如果再需要其頻繁地產生模數轉換控制器的控制時序，將會影響系統(tǒng)的性能，嚴重時將會成為系統(tǒng)的瓶頸。本文采用CPLD產生A/D轉換器的控制時序，使得CPLD主要實現(xiàn)A/D時序控制的功能，DSP主要實現(xiàn)閉環(huán)控制算法的功能。

1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)以DSP和CPLD為核心，模擬信號從模擬多路開關CD4067接人，利用CPLD進行使能其輸入。使用DSP的GPIO口作為模擬多路開關的通道號的選擇。A/D轉換器使用MAXIM公司的MAX194，其控制時序由CPLD產生。當A/D轉換結束后，將會產生一個EOC信號，該信號作為LF2407的外部中斷，當DSP接收到該轉換結束信號，進入相應的外部中斷程序，使用SPI總線來接收A/D轉換的數字值，并進行相應的處理。系統(tǒng)的總體結構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控DSP芯片TMS320LF2407A

系統(tǒng)的主控制器采用了TMS320LF2407A，3.3 V靜態(tài)CMOS工藝，40 MIPS，具有16位地址總線，16位數據總線，3個獨立的存儲空間，包括可用的64 kB程序空間，35.5 kB數據空間以及64 kB的I/O空間。訪問不同的存儲空間時，DSP有相應的引腳作為選通信號，PS對應程序空間，DS對應數據空間，IS對應IO空間，均為低電平有效。本系統(tǒng)將MAX194 A/D轉換器映射到I/O空間0000H-7fffH，其使能的邏輯表達式為：CS=A15+IS。多路模擬開關映射到I/O空間的8000H-ffffH，其使能邏輯表達式為：CS=A15+IS。式中IS是I/O空間選通信號線。

TMS320LF2407A的內部具有32 kB FLASH程序存儲器，2.5 kB RAM數據存儲器。FLASH可滿足DSP系統(tǒng)程序存儲的需要，而2.5 kB的數據存儲器可能不夠。而且研發(fā)階段一般將程序寫在RAM上，所以設計選用了Cypress Semiconductor公司的CY7C1021V33的SRAM，該SRAM為64 kB，設計中設定0000H-7ffffH為程序空間，8000H-ffffH為數據空間。外擴SRAM的邏輯表達式為：CS=(A15+PS+DS)(A15+PS+DS)。式中CS是SRAM的片選信號線，A15是DSP的第16根地址線，PS是程序空間選通信號線，DS是數據空間選通信號線。

2.2 模數轉換模塊MAX194

TMS320LF2407A芯片內置16通道A/D轉換器，但是只能輸入單極性電壓，只有10位的分辨率，精度很不理想，所以需要外擴A/D轉換芯片。經過多方比較，筆者選用了MAXIM公司的MAXl94芯片，它是一種逐漸次比較型的模數轉換器，具有高精度，低功耗等特點。MAX194的內部設有校準電路，用于保證全溫度范圍內的線性度，且不需要外部的調整電路。分開的模擬和數字供電，最大限度地減少了數字耦合噪聲。其主要特征有：14位分辨率，1/2 LSB非線性度，82 dB的信噪比，低功耗，單極性或雙極性輸入，三態(tài)串行輸出。

MAX194具有兩種接口模式：同步模式和異步模式。同步模式：MAX194在轉換過程中，每轉換完一個，數據位就輸出一位。此時，SCLK應該接地，CLK即作為ADC的轉換時鐘又作為串行接口的移位輸出時鐘。異步模式：DSP只能在MAX194完成一次轉換之后才能將轉換結果讀出，然后啟動下一次的轉換。這種模式降低了MAX194連續(xù)轉換的速度。

使用CPLD來控制MAX194，可以方便地控制MAX194工作在同步或者異步狀態(tài)，而不需要對硬件電路做任何改動，僅需要修改CPLD中的程序即可。本設計將MAX194設定在異步工作模式下，MAX194異步模式時序圖如圖2所示。

根據圖2所示的時序圖，將采樣控制過程分成了4個狀態(tài)：

(1)初始狀態(tài)：MAX194采樣控制信號初始化，各采樣控制狀態(tài)置零。

(2)啟動采樣狀態(tài)：將MAX194的啟動轉換信號START置低并保持至少兩個CLK周期。

(3)轉換結束狀態(tài)：將MAX194的啟動信號START置高并檢測轉換結束狀態(tài)信號EOC，當它由高電平變成低電平時即表示轉換已經結束。因此，這個狀態(tài)與上個狀態(tài)一樣是看EOC信號是否有變化，若是有變化，則轉到下個狀態(tài)，若是沒有變化，則將一直在這個狀態(tài)中循環(huán)，直到EOC信號有變化為止。

(4)轉換結果輸出狀態(tài)：將MAX194的芯片使能信號CS置低，DSP通過SPI口將A/D轉換得到的數據傳人DSP中。

根據以上工作狀態(tài)的描述，使用了VHDL語言編寫了A/D轉換采樣控制模塊的程序，并進行了仿真，仿真結果如圖3所示。從仿真圖中看出設計的A/D轉換控制模塊是完全符合設計要求的。

3 軟件設計

TMS320LF2407A是基于C2000平臺的，提供兩種編程語言：C/C+十語言或匯編語言。其中，C語言編寫的程序可讀性、可移植性強，且大大縮短了開發(fā)周期，但執(zhí)行效率低，程序出錯時不易診斷。匯編語言程序效率高，但編寫比較繁瑣。通常做法是程序核心部分(即經常調用部分)采用匯編語言編寫，以提高整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率，對實時性要求不高的部分采用C語言編寫以降低程序的復雜度，提高程序的可讀性和可修改性。本文采用C語言和匯編語言混合編寫的多文件結構，主要包括主程序、讀取A/D轉換結果的中斷程序的設計。

軟件流程如圖4所示。主要分成三部分：SPI配置部分，模擬開關控制部分，A/D轉換控制和轉換結果的讀取。

3.1 SPI配置部分

對于LF2407A，串行SPI外設接口有9個寄存器，用于控制其操作。在本設計中將LF2407A的SPI接口設定在主模式下，在該模式下，采用主控制器發(fā)送偽數據，從控制器發(fā)送數據。主控制器可在任何時刻啟動數據傳送，因為它控制著SPICLK信號。但軟件決定了主控制器如何檢測從控制器何時準備發(fā)送數據。SPI接口模塊的初始化程序如下：