基于DSP的高精度数据采集装置研究

陈建华

[摘           要]  为了完成对信号的高精度测量，以ADS8364和DSP为基础设计了高精度数据采集体系方案。给出该体系硬件结构图和重要电路模块的设计思路，并解释系统软件的框架与设计流程以及如何通过软件编程来提高数据采集的速度。该数据采集系统可以广泛地应用于传感器信号采集、工业控制等场合中，具有非常好的市场应用前景。

[关    键   词]  DSP;ADS8364;高精度;数据采集

[中图分类号]  TP274+.2                 [文献标志码]  A                    [文章编号]  2096-0603（2019）16-0048-02

随着大规模集成电路技术的发展，美国德州仪器公司于1983年推出了自身的第一代DSP芯片，并取得了很大的成功。该芯片选用了哈佛结构，并拥有16比特的字长，具有独立的数据存储器和指令功能，并且另有个特殊的指令集来进行累乘、累加读入等运算，一乘加运算的时间只要390ns。在当时DSP5600是另一个比较成功的DSP芯片，它是由Motorola公司生产的。DSP32芯片是早期具有高性能浮点型的芯片，它是AT&T公司于1984年推出的。

一、国内研究现状

近几年来，伴随着我国信息产业的蓬勃发展，数字信号处理学科发展较快。DSP处理器已经在我国的许多方面得到了广泛的应用，尤其是在数字通信、电子对抗、图像处理、信号处理、雷达等方面，为国民经济和科学技术建设创造了很大的价值。我国的科研人员经过对先进的DSP芯片的研究，在PCB板设计方面汲取了宝贵的设计经验，并研制出少许高性能处理设备的解决方案。

二、国外研究现状

简略国际DSP处理发展的近况，能够看出国外的商业化信号处理设备一向保持着快速的发展势头，欧美等科技大国保持着国际领先的地位。他们中很多已经发展到相当大的规模，譬如，美国DSP research公司，加拿大Dy4公司等，他们之间的竞争也变得越来越剧烈。

三、整体结构设计

（一）系统的基本参数

（1）DSP系统工作主频150MHZ;（2）电压测量精度优于0.5%;（3）实现DSP的串口通信。

（二）DSP的选型

TMS320F2812数字信号处理器采用DSP和微控制器最佳功能的集成，当前已发展至150MHz的Flash模式。

综合以上性能指标以及本设计所要达到的技术指标，本设计选用TMS320F2812芯片。该芯片是TI公司在C2000微处理器平台上推出的新一代32位定点/浮点DSP芯片，具有多种外设和存储器配置，可满足不同的控制要求。

（三）硬件系统总体设计

图为一个典型的DSP系统。先让AD采集外部电压送入DSP处理，然后经过串口通信送入上位机进行显示电压数据。

（四）系统软件总体设计

本方案采用的是TI公司的数字信号控制器TMS320F2812，主要利用其强大的计算能力和高速的指令周期，确保控制器可以快速响应ADS8364的数据请求。软件分为DSP初始化、ADS8364初始化、数据读取三部分。

1.软件初始化

定义初始化函数，主要工作完实现DSP的定时器、I/O口输入输出、SPI、外部中断等功能的初始化。定义了初始化函数，通过SPI传输数据，实现对ADS8364的初始化。

2.数据读取与处理

设置完成，ADS8364将进入自动采集模式，进行高频率的扫描，其通道得到采样值后发送中断信号至DSP2812的外部间断，DSP2812进行中断响应并读取通道电压采样值。以上数据是通过SPI读到的。在程序结构设计时，不要将数据读取、数据分析和数据转换放入外部中断功能里，应在中断函数里置标记位，返回主程序处理。

四、数据采集单元

数据信号收集电路是电子系统中常用到的功能模块，A/D是重要的数据采集模块转变电路。使用ADS8364实现A/D数据采集转换，输入的是直接从外部采集到的电压信号，经过ADS8364内部的量化编码，将外部采集到的模擬信号通过ADS8364转化为数字信号传输到DSP中运行，再通过内部RAM的代码搬运加快运行速度，并且在电压测量中使电压测量的相对误差小于0.5%。

（一）A/D选择及电路设计

为了确保体系处理结果的准确度，A/D转换器必须有充足的转换精度，改变时间控制、检测精度达到快速转变信号的目的。A/D转换器是数据采集体系的核心器件，主要有采样通道数、输入范围、输入方法、采样率、分辨率、精度、码元宽度以及A/D转换器精度等重要技术指标，直接影响数据采集系统的精度。因此，本次采用型号为TI公司的ADS8364芯片。ADS8364的主要特性如下所示：

（1）集成了6个16位ADC，且6个通道可以同时工作;（2）每个通道的单次转换时间为4us;（3）可以采用单端输入或差分输入;（4）最高采样率为250KSPS;（5）简单易用的数据接口。

（二）ADS8364工作原理

ADS8364的最大工作频率可达5MHz，采样/转换可在20 个转换时钟周期内完成。ADS8364的6个通道能够同时进行采样/转换，吞吐率最大可达250ksps。ADS8364选用+5V工作电压，并带有80dB共模抑制的全差分输入通道和6个4μs连续近似的模数转换器、六个差分采样放大器。ADS8364的差分输入可在-vref到+vref之间转变。此外，在REFIN和REFOUT引脚里面还带有+2.5V参考电压。

ADS8364模数转换器的六个16位ADCs可能成对的同步运转。三个维持信号（■，■，■），开关可以驱动指定通道。当三个维持信号都选通时，将结果存储在寄存器里面。对于每一个读操作，ADS8364都传出16位数据，地址/模式信号（A0，A1，A2）不妨选取从ADS8364读取数据，也能够选择单通道、单周期或FIFO模式。在ADS8364的■延续最少20ns的低电平时，转变打开。

（三）数据采集电路

数据采集过程的基本工作原理为：

（1）DSP的定时器中断定时触发A/D启动转换;（2）DSP期待ADS8364的EOC外部间断;（3）检测到EOC后，开始数据读取;（4）发送数据处理缓存。

DSP和ADS8364采集系统是以TMS320F2812为系统控制中心，通过ADS8364模数转换器对外部电压信号进行采集，实现将采集结果经DSP处理送入PC机显示等功能。

五、DSP概述

TMS320F2812系列DSP有如下特征：

支持JTAG邊界扫描接口;

高性能32位CPU;

16×16位以及32×32位的乘法叠加操作;

16×16位的双乘法累加器;

哈佛总线结构;

快速的间断相应和处置本领;

统一的寻址模式;

4MB的程序/数据寻址空间;

高效的代码转换功效（C/C++和汇编）;

片上存储器;

能够达到128K的×16（F2812）闪存;

最多达128K×16位的ROM;

1K×16位的OTP ROM;

H0：一块8K×16位的单周期访问RAM（SRAM）。

（一）最小系统

DSP2812最小系统主要由时钟系统、调试测试接口、供电电源以及复位和存储器系统构成。其中存储器是可选的，这是因为很多DSP芯片内部已经集成了程序存储器和数据存储器，但是对很多DSP应用系统来说数据处理量比较大，一般都要外扩RAM存储器。

（二）晶振电路

本设计采用30M的晶体配合C25和C26两个电容构成晶振电路，是为了更好的起振。C25接外部晶体的一个引脚，C26接外部晶体的另一端。

（三）电源电路

DSP2812的电源分为两部分：3.3V的FLASH电压和1.8V的内核电压，DSP采用5V电源供电。本设计在考虑了DSPCPU内核电压、DSP外设电压、Flash编程电压以及模拟电路电压等诸多方面的因素，其芯片型号为TPS70151。而且，为了减少电源噪声和相互干扰，数字电路和模拟电路要独立供电，数字地和模拟地也要分隔开，并最终通过一个磁珠在一点连在一起。

（四）FLASH模块

TMS320F2812内部具有128K×16位的Flash空间（4个8K×16位和6个16K×16位的空间），由于本设计DSP中所编译的代码段高于FLASH的存储容量。

（五）RAM模块

F2812的片内存储空间比较小（18K×16位），基于本设计是一个需要较多数据和程序存储空间的系统，所以不得不外扩RAM。

六、系统软件功能模块

（一）AD采集子程序的设计

为了实现数据采集的功能，需要进行AD采集程序的设计。首先设置采样通道和采样接口，再复位ADS8364，紧接着开启采样电路，设置请求标志，如果没有则返回请求，如果有则启动采样程序进行采样，采样结束后将请求标志清零，最后再返回申请采样标志，等待下一次采样信号的到来。

（二）DSP代码搬运子程序的设计

F2812最高采样时钟频率为150MHz，但当程序写到Flash中运行时，可能会降到原来在内存中运行时的60%～70%。在F2812里，代码从内部Flash里运行时，比从内部RAM里运行要慢 30%左右，所以对运行时间苛刻的程序直接在Flash里运行，往往不能满足要求。在这个时候，对时间更敏感或计算量比较大的子程序能够在内存中运行，如A/D采样子程序。但问题是，所有的代码都是储存在快闪记忆体中，必须把Flash程序复制到RAM中运行，加快步伐。

（三）DSP串口通信子程序的设计

首先是接收移位寄存器工作，进入SCI数据寄存器，处理后进入MCU内部总线再返回发送移位寄存器，完成整个串口通信的任务。

参考文献：

[1]顾卫刚.手把手教你学DSP[M].北京：北京航空航天出版社，2011.

[2]冬雷.DSP原理及开发技术[M].北京：北京交通大学出版社，2007.

[3]马永军.DSP原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2008.

[4]何加铭.嵌入式32位微处理器系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5]易先军.基于DSP的多路同步数据采集系统的开发与应用[D].武汉：华中科技大学，2005.

[6]邓少军.基于DSP的电能质量监测系统的设计与实现[D].沈阳：东北大学，2006.

编辑 王 敏