寬帶阻抗測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)——微處理器電路設(shè)計(jì)（一）

微處理器電路主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制、人機(jī)交互等工作。主要由TMS320F2812、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG等器件組成。其中晶體振蕩器、電源控制和WATCHDOG是TMS320F2812能夠正常運(yùn)行的保證；DSP芯片配合完成各種控制任務(wù)。

5.1微處理器的選擇

目前，應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的微處理器主要有單片機(jī)、DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）和ARM（Advanced RISC Machines，高級(jí)精簡(jiǎn)指令集處理器）。

單片機(jī)的價(jià)格低廉，但性能較低、處理速度較慢，適用于對(duì)速度要求不高并且任務(wù)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中。

ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的第一款RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）微處理器，它提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。精簡(jiǎn)指令使微控制器的線(xiàn)路可以盡量?jī)?yōu)化，硬件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，從而可以實(shí)現(xiàn)較低的成本和功耗。由于應(yīng)用ARM的所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行，可以有效地縮短應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)與測(cè)試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費(fèi)用。目前ARM在電子消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品中應(yīng)用較多。

ARM處理器具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來(lái)運(yùn)行界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制以及低功耗方面。DSP主要是用來(lái)計(jì)算的，比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。DSP控制器的主要特點(diǎn)包括：

1.哈佛體系結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，這是DSP控制器的最大特色。哈佛結(jié)構(gòu)中，由于數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪(fǎng)問(wèn)，并相應(yīng)設(shè)置了程序總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)兩條總線(xiàn)，因此取指和執(zhí)行能完全重疊進(jìn)行，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。

2.流水線(xiàn)操作 與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用多級(jí)流水線(xiàn)，取指、譯碼、執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的操作可以并行、獨(dú)立地處理，這可使指令執(zhí)行能完全重疊，從而大大提高了處理器的處理速度。

3.內(nèi)置專(zhuān)用的硬件乘法器 DSP芯片有專(zhuān)用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成，這可以大大縮短數(shù)據(jù)處理算法中的乘法運(yùn)算時(shí)間。這對(duì)于阻抗測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樵谘b置軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)的處理算法中就有很多會(huì)用到大量的乘法運(yùn)算。若能縮短每條乘法指令的運(yùn)算時(shí)間，就可以大大節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間。

在阻抗測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)主控制器的要求主要體現(xiàn)在運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力以及復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)能力等，而對(duì)事務(wù)管理能力及低功耗的要求并不高。綜合考慮阻抗測(cè)量對(duì)主控制器的要求以及上述各控制器的特點(diǎn)，選用DSP作為主控制器。

當(dāng)今世界上，生產(chǎn)DSP控制器的大公司主要有TI公司（Texas Instruments Incorporated，德州儀器公司），AD公司（Analog Device Incorporated，模擬器件公司）、MOTOROLA公司等。

在眾多的DSP生產(chǎn)公司，本文選用了TI公司的DSP作為主控制器。選擇該公司的產(chǎn)品主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

1.TI公司的DSP控制器種類(lèi)齊全，并且該公司的DSP控制器屬于通用型DSP控制器，與單片機(jī)相比，具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和更豐富的硬件資源；與其它公司的專(zhuān)用型DSP控制器相比，應(yīng)用更加廣泛。

2.TI公司的DSP控制器每個(gè)系列的不同型號(hào)之間雖然外設(shè)可能變化很大，但在代碼上卻是繼承的，這樣利于用戶(hù)根據(jù)需要來(lái)改變自己的方案。

3.TI公司是世界上最大的DSP控制器供應(yīng)商，其DSP市場(chǎng)份額約占全世界份額的50%，在中國(guó)市場(chǎng)上，其份額占到了70%；TI公司的DSP在中國(guó)市場(chǎng)上的技術(shù)支持、服務(wù)及應(yīng)用情況都占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在TI公司主要推出的產(chǎn)品包括三種DSP系列[29]，它們是TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。其中，TMS320C5000和TMS320C6000系列都集成了高性能的CPU，其目標(biāo)是適用于大量存儲(chǔ)器和高級(jí)語(yǔ)言的微機(jī)系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)中。而TMS320C2000系列不集成高性能的CPU，而把許多其它功能，例如A/D、FLASH、定時(shí)器、CAN控制器、SPI接口、SCI接口、PWM等集成在一個(gè)芯片上。這種芯片外部擴(kuò)展能力較弱，一般用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。

阻抗測(cè)量系統(tǒng)屬于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，基于阻抗測(cè)量的算法，處理速度以及成本的考慮，此次設(shè)計(jì)采用TI的TMS320C2000作為主控制器。

TMS320C2000中主要有TMS320C/F28x和TMS320C/（L）F24x兩個(gè)子系列。其中TMS320F28x是繼TMS320F24x之后出現(xiàn)的一種低價(jià)格、高性能的32位定點(diǎn)DSP芯片。它是在TMS320F28x為內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了相應(yīng)的存儲(chǔ)器并集成了大量的片內(nèi)外設(shè)而成的新一代適用于工業(yè)控制的DSP芯片。TMS320F2812就是其中的一種。

TMS320F2812中采用了多總線(xiàn)的哈佛結(jié)構(gòu)，這樣就使總線(xiàn)操作時(shí)序分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行指令四個(gè)獨(dú)立階段并行處理，從而極大地加快了微處理器芯片的處理速度。其中內(nèi)部地址總線(xiàn)分為3條，即程序地址總線(xiàn)（PAB）、數(shù)據(jù)讀地址總線(xiàn)（DRAB）和數(shù)據(jù)寫(xiě)地址總線(xiàn)（DWAR）；內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)也對(duì)應(yīng)分為3條，即程序讀數(shù)據(jù)總線(xiàn)（PRDB）、數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DRDB）及數(shù)據(jù)程序?qū)憯?shù)據(jù)總線(xiàn)（DWDB）。而外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)（XD，16位）和地址總線(xiàn)（XA，19位）仍為單一形式，這使得眾多的外圍芯片可與其兼容。

與多組總線(xiàn)形式的哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，在TMS320F2812處理器中采用了流水線(xiàn)操作以減少指令執(zhí)行時(shí)間，允許DSP同時(shí)進(jìn)行程序指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。在TMS320F2812中采用了八級(jí)邏輯流水線(xiàn)，也就是說(shuō)，處理器可以并行處理多條指令，每條指令處于流水線(xiàn)上的不同階段，從而實(shí)現(xiàn)了一種并行處理的機(jī)制。同時(shí)，TMS320F2812還具有專(zhuān)門(mén)針對(duì)片上Flash存儲(chǔ)器的Flash流水線(xiàn)模式，能顯著提高指令從Flash中執(zhí)行的速度。

TMS320F2812具有低功耗的特點(diǎn)，它采用靜態(tài)CMOS工藝，芯片供電電壓為1.8V（內(nèi)核）、3.3V（I/O），相比于采用5V工作電壓的系統(tǒng)，它的功耗可降低很多。

TMS320F2812片內(nèi)有多種形式的存儲(chǔ)器及多個(gè)不同的存儲(chǔ)空間。采用程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的存儲(chǔ)體組織形式，為用戶(hù)分配存儲(chǔ)器提供了很大的靈活性。TMS320F2812提供了外部存儲(chǔ)器接口，可擴(kuò)展1M的外部存儲(chǔ)器。由于TMS320F2812本身具有非常大的Flash，所以一般不必外擴(kuò)ROM，外部RAM可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充。