基于DSP的低功耗高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長時(shí)間工作，必然對(duì)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(jì)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(duì)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(yùn)行。VC5509支持豐富的外設(shè)接口，最高支持144MHz的時(shí)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(dá)288MIPS的處理能力。VC5509內(nèi)部存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)高達(dá)4MB的外部存儲(chǔ)空間擴(kuò)展，是一款具有較高性價(jià)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)要求實(shí)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(yùn)行時(shí)整體功耗低于250mW。針對(duì)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(chǔ)器，選用四片微功耗12位ADC實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道模擬信號(hào)的同步采集。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）作為掉電保護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并設(shè)計(jì)一個(gè)異步串口實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，本系統(tǒng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行低功耗的設(shè)計(jì)：低功耗器件的選擇；高效率的電源設(shè)計(jì)；系統(tǒng)工作模式以及接口設(shè)計(jì)。

2．1 低功耗器件的選擇以及接口設(shè)計(jì)

模擬通道信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片之前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)整。可以利用運(yùn)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(yùn)放，工作電流僅為20μA，關(guān)斷時(shí)電流可低至10nA，TLV2761采用CMOS軌對(duì)軌輸入輸出，是專為電池供電等低功耗系統(tǒng)而設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)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(duì)四片A/D芯片進(jìn)行片選。A/D芯片正常工作時(shí)，需要系統(tǒng)提供一個(gè)工作時(shí)鐘輸入（CLKIN）以及一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入（/CONVST），對(duì)應(yīng)其轉(zhuǎn)換速率以及采樣速率。VC5409內(nèi)部具有兩個(gè)定時(shí)器，但只有一個(gè)定時(shí)器輸出，因此不適合利用。然而VC5509內(nèi)部具有三個(gè)同步串口，可對(duì)外輸出可編程串行時(shí)鐘信號(hào)（CLKX）以及幀同步信號(hào)（FSX），因此可直接利用一同步串口信號(hào)輸出作為A/D芯片所需要的時(shí)鐘信號(hào)輸入以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，這里使用的是同步串口1。ADC接口電路如圖3所示。