基于DSP的低功耗高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展及新器件的不斷涌現(xiàn),電子系統(tǒng)在手持設(shè)備、便攜醫(yī)療儀器以及野外測試儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用中,由于客觀條件的限制,通常采用電池或蓄電池為儀器設(shè)備提供電源。在這種情況下,如要實現(xiàn)系統(tǒng)長時間工作,必然對儀器設(shè)備系統(tǒng)功耗的要求較高,因此低功耗系統(tǒng)的設(shè)計在這些應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛重視。
1 TMS320VC5509簡介
TMS320VC5509(以下簡稱VC5509)是德州儀器(TI)公司針對低功耗應(yīng)用領(lǐng)域推出的一款低功耗高性能DSP,采用1.6V的核心電壓以及3.3V的外圍接口電壓,最低可支持0.9V的核心電壓以 0.05mW/MIP的低功耗運行。VC5509支持豐富的外設(shè)接口,最高支持144MHz的時鐘頻率,片內(nèi)具有雙乘累加器,每周期可執(zhí)行一條指令或兩條并行指令,具有高達288MIPS的處理能力。VC5509內(nèi)部存儲器采用統(tǒng)一編址,帶有128K字RAM,其中包括32K字雙存取RAM(DARAM)以及96K字單存取RAM(SARAM),另外還有64KB片內(nèi)只讀ROM,并可以實現(xiàn)高達4MB的外部存儲空間擴展,是一款具有較高性價比的低功耗 DSP芯片。VC5509的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
本系統(tǒng)要求實現(xiàn)四通道同步采樣,每通道采樣頻率為50kHz,系統(tǒng)供電為+5V,全速運行時整體功耗低于250mW。針對這些技術(shù)指標(biāo),本系統(tǒng)以低功耗 DSP芯片TMS320VC5509為核心,采用串行EEPROM作為程序存儲器,選用四片微功耗12位ADC實現(xiàn)四個通道模擬信號的同步采集。系統(tǒng)中設(shè)計鐵電存儲器(FRAM)作為掉電保護數(shù)據(jù)存儲器,并設(shè)計一個異步串口實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通訊。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
在保證實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下,本系統(tǒng)從以下幾個方面進行低功耗的設(shè)計:低功耗器件的選擇;高效率的電源設(shè)計;系統(tǒng)工作模式以及接口設(shè)計。
2.1 低功耗器件的選擇以及接口設(shè)計
模擬通道信號輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片之前,需要對信號進行一定的調(diào)整??梢岳眠\放構(gòu)成同相放大電路。這里使用的是TI公司的TLV2761。TLV2761是一款帶關(guān)斷功能的微功耗運放,工作電流僅為20μA,關(guān)斷時電流可低至10nA,TLV2761采用CMOS軌對軌輸入輸出,是專為電池供電等低功耗系統(tǒng)而設(shè)計的。
A/D轉(zhuǎn)換芯片采用的是Analog Device的AD7854L。AD7854L是一款高速、低功耗的12位并行ADC,采樣頻率可以達到100ksps,采用3V~5V單電源供電,靜態(tài)工作電流最大為1.8mA,關(guān)斷模式下電流僅1μA。AD7854L支持單極性輸入及準(zhǔn)差分輸入,單極性輸入的精度略高于差分輸入。該芯片采用CMOS工藝,正常工作時典型功耗為5.4mW,關(guān)斷模式下功耗僅為3.6μW。
本系統(tǒng)利用外部譯碼器對四片A/D芯片進行片選。A/D芯片正常工作時,需要系統(tǒng)提供一個工作時鐘輸入(CLKIN)以及一個啟動轉(zhuǎn)換信號輸入(/CONVST),對應(yīng)其轉(zhuǎn)換速率以及采樣速率。VC5409內(nèi)部具有兩個定時器,但只有一個定時器輸出,因此不適合利用。然而VC5509內(nèi)部具有三個同步串口,可對外輸出可編程串行時鐘信號(CLKX)以及幀同步信號(FSX),因此可直接利用一同步串口信號輸出作為A/D芯片所需要的時鐘信號輸入以及啟動轉(zhuǎn)換信號,這里使用的是同步串口1。ADC接口電路如圖3所示。
系統(tǒng)工作流程大致如下:系統(tǒng)上電之后,程序初始化部分對同步串口1進行設(shè)置,使四片A/D芯片同時開始工作;利用其中一片A/D芯片的BUSY輸出信號觸發(fā)DSP的外部中斷0;設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū);在主程序中對采集到的數(shù)據(jù)進行必要的處理;在中斷服務(wù)程序中依次從并口讀入四片A/D芯片的數(shù)據(jù)。
VC5509內(nèi)部沒有FLASH,其程序加載需要外部存儲器。VC5509支持比較多的引導(dǎo)加載方式,這里采用的是SPI接口的EEPROM加載,如圖4所示。芯片選用的是ATMEL公司的SPI接口的低電壓串行EEPROM AT25256。AT25256主要適用于低功耗場合,內(nèi)部按照32k×8位組織,可以工作在3.3V電壓下,最大串行時鐘頻率為2.1MHz。支持64字節(jié)的頁寫方式以及字節(jié)寫方式。另外,AT25256還可以通過設(shè)置寫保護引腳/WP的電平來設(shè)置芯片的只讀或可寫狀態(tài)。
VC5509采用SPI接口EEPROM模式加載時,默認同步串口0的信號引腳來模擬SPI接口,GPIO4作為EEPROM片選輸入。
VC5509 具有128K字節(jié)內(nèi)RAM,為擴展數(shù)據(jù)存儲備份,外部擴展了兩片鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)存儲器,如圖5所示。這里選用的是RAMTRON公司的 FM18L08。鐵電存儲器具有非易失性存儲器的特征,同時具有類似RAM的讀寫操作(非常方便),近兩年應(yīng)用越來越廣泛。FM18L08內(nèi)部按照32K ×8位組織,訪問周期為70ns,讀寫操作周期相同,易于使用。同時它也是一款支持低電壓工作的芯片,3.3V時典型工作電流為5mA,典型靜態(tài)電流為 7μA。
2.2 高效率電源的設(shè)計
VC5509 工作在雙電源電壓下,其核心電壓為1.6V,I/O電壓為3.3V。對雙電壓電源系統(tǒng),常用的是有線性穩(wěn)壓電源以及開關(guān)穩(wěn)壓電源,根據(jù)兩者對電壓轉(zhuǎn)換的原理的不同,電壓的轉(zhuǎn)換效率也有很大區(qū)別。對于線性穩(wěn)壓電源,多用在較大的負載電流場合,其整體系統(tǒng)功耗分為兩部分,一部分為所有低功耗器件消耗,另一部分為線性穩(wěn)壓器件本身所消耗。以輸入5V直流電壓轉(zhuǎn)換到3.3V電壓為例,理論電壓轉(zhuǎn)換效率約為66%。假設(shè)系統(tǒng)電流為50mA,則整個系統(tǒng)功耗實際上為 50×5=250mW,而并非50×3.3=165mW。而對于開關(guān)穩(wěn)壓器件,選用合適的器件,電壓轉(zhuǎn)換效率可以達到95%以上,電源器件本身消息功率可以極少,對相同的系統(tǒng)電流,整體系統(tǒng)功耗極大降低。因此,在低功耗小電流場合,選用開關(guān)穩(wěn)壓電源器件更為適合。
這里選用的是TI公司的TPS62000系列開關(guān)穩(wěn)壓器件TPS62000(可調(diào)輸出)和TPS62007(固定輸出3.3V)。TPS62000系列是專為低功耗CPU而設(shè)計的一系列電源器件,在輸出電流為10mA時,效率可達90%。同時,TPS62000系列工作在低功耗模式時,可根據(jù)負載電流的大小自動在PWM和 PFM模式之間切換,以節(jié)省功耗。在雙電源系統(tǒng)中,核心電壓必須先于I/O電壓上電,后于I/O電壓斷電,這里利用TPS62000的PG信號作為 TPS62007的EN信號來實現(xiàn)。
2.3 系統(tǒng)的工作模式及接口設(shè)計
由于VC5509不具備異步串口,因此利用并/串轉(zhuǎn)換芯片TL16C750將其并口擴展為異步串口對外接口。
對整個系統(tǒng)而言,選擇工作在較低電壓下的低功耗芯片可以降低系統(tǒng)功耗;同時,設(shè)置適合的工作方式也可以降低系統(tǒng)功耗。對系統(tǒng)中大多數(shù)芯片而言,都帶有關(guān)斷控制或者自動工作模式切換功能,因此不需人為干預(yù),系統(tǒng)的功耗最終很大程度上落在DSP上。在不影響系統(tǒng)工作性能的前提下,適當(dāng)降低DSP工作主頻可以降低系統(tǒng)功耗。
利用以上方案搭建的VC5509低功耗高速采集系統(tǒng),在保證達到50kHz對四通道數(shù)據(jù)進行同步采集的要求下,適當(dāng)降低DSP工作主頻可以降低系統(tǒng)功耗,滿足實際要求,并且已經(jīng)得到驗證。
評論