基于TMS320VC5416的多路加速度采集系統設計

摘要：本文介紹了一種基于TMS320VC5416的多路加速度采集與處理系統的設計方法。該系統采用AD73360作為數據采集前端，通過(guò)DSP的McBSP和AD73360級聯(lián)，可實(shí)現多路模擬加速度信號的實(shí)時(shí)采集和處理。

關(guān)鍵詞：TMS320VC5416；AD73360；加速度；數據處理

引言

多路加速度采集系統在平臺式慣導系統中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。在早期的產(chǎn)品中，控制和處理核心都采用馮諾衣曼總線(xiàn)結構的微處理器，由于其指令執行速度較慢，設計一個(gè)高性能的實(shí)時(shí)采集與處理系統顯得比較困難。本文介紹了一種采用TMS320V C5416(DSP)作為處理器，用十六位高精度AD73360作為ADC的多路加速度采集系統設計方法。

圖1 系統硬件原理圖

圖2加速度信號預處理電路

圖3 AD73360與TMS320VC5416接口電路圖

圖4 系統軟件流程圖
系統硬件設計

系統由A/D轉換電路、DSP及其外圍電路和通信接口電路組成，如圖1所示。

A/D轉換電路設計
AD73360簡(jiǎn)介

AD73360工作模式控制起來(lái)非常方便，當器件加電以后，DSP通過(guò)XF或者寫(xiě)I/O 的方式將AD73360的片選SE引腳置為高電平，此時(shí)AD73360處于上電復位狀態(tài)，輸出同步幀信號SDOFS，當采用圖3的接法時(shí)，可以通過(guò)DSP的McBSP串口向AD73360寫(xiě)入控制字。AD73360由8個(gè)寄存器來(lái)控制，控制字字長(cháng)為16位。

在用AD73360進(jìn)行電路設計時(shí)，可直接用單極性輸入方式，也可采取差動(dòng)輸入方式將單片AD73360接成三通道轉換器。不過(guò)在用AD73360器件內部參考電壓對模擬輸入前端進(jìn)行直流偏置時(shí)，最好采用高輸入阻抗的運算放大器進(jìn)行隔離。

加速度信號預處理電路設計

加速度信號預處理電路主要對輸入的多路加速度信號進(jìn)行取樣、直流偏置和抗混疊濾波處理，具體電路如圖2所示。

在直流偏置之前，首先采用精密電阻網(wǎng)絡(luò )R1和R2對加速度信號進(jìn)行取樣。為了盡可能提高A/D轉換精度，減小電路板的體積，系統使用AD73360片內參考電壓REFOUT作直流偏置。在送到運算放大器OP2進(jìn)行直流偏置之前，采用運算放大器OP1進(jìn)行隔離，以確保ADC的REFOUT端子沒(méi)有輸入、輸出電流，從而保證ADC片內精密電壓源電壓恒定和較高的A/D轉換精度。最后，經(jīng)R5和C1組成RC網(wǎng)絡(luò )，抗混迭濾波后送到AD73360進(jìn)行A/D轉換。

AD73360與TMS320VC5416的接口設計

AD73360片內集成有同步串口SPI，通過(guò)和DSP的McBSP簡(jiǎn)單連接便可組成一個(gè)多通道同步數據采集系統。AD73360的復位信號/RESET、片選信號SE分別由DSP器件的/RESET和XF引腳通過(guò)一個(gè)上升沿雙D觸發(fā)器提供，這樣可以確保AD73360的復位信號、片選信號和DMCLK保持同步，以免發(fā)生讀寫(xiě)錯誤。McBSP的輸入/輸出時(shí)鐘均由AD73360提供，即DSP的同步緩沖串口工作于外部時(shí)鐘模式。通過(guò)多片AD73360級聯(lián)，最多可以實(shí)現48路同步采集系統(見(jiàn)圖3)。系統在收到主控單片機的啟動(dòng)命令后，將XF置為高電平，AD73360處于上電復位狀態(tài)，DSP將控制字依順序寫(xiě)到所有AD73360中，最后啟動(dòng)A/D轉換，系統開(kāi)始對加速度信號進(jìn)行采集。

DSP外圍電路和通信接口電路設計

DSP外圍電路包括時(shí)鐘、電源、復位以及片外程序存儲器電路。系統采用外部時(shí)鐘模式，電源和復位電路采用TI公司專(zhuān)用芯片TPS767D301和TPS3707-33。由于TMS320VC5416無(wú)片內Flash，因此系統采用AM29LV200B作為程序存儲器，此芯片是16位Flash存儲器。系統上電后，DSP片內引導程序將AM29LV200B中的工作程序加載到片內SRAM,提高程序執行效率。

系統通信電路包括并行通信和串行通信兩部分，由于主控單片機采用5V邏輯，故并行通信的握手信號和數據線(xiàn)均需采用SN74LV245B進(jìn)行電平隔離，同時(shí)數據總線(xiàn)需用SN74LV373進(jìn)行鎖存。并行通信的握手信號若采用I/O讀寫(xiě)的方式實(shí)現，數據傳輸效率會(huì )降低許多，所以系統將McBSP2定義為通用I/O口，用McBSP2來(lái)和主控單片機握手，從而減少硬件開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)提高數據傳輸速度。

TMS320VC5416片內無(wú)UART端口，要實(shí)現和主控單片機的串行數據通信，本系統采用ST16C650，通過(guò)I/O讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)ST16C650，從而實(shí)現DSP和主控單片機之間的串行通信。

系統軟件設計

為了編寫(xiě)出模塊性強、執行效率高的DSP程序，該系統在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言相結合的方式進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序主體，用匯編語(yǔ)言進(jìn)行硬件接口程序編寫(xiě)。

系統軟件執行過(guò)程如圖4所示，其中左圖為主程序流程，右圖為中斷程序流程。系統加電后，首先對McBSP、AD73360、DMA和串/并通信接口等進(jìn)行初始化，然后等待主控單片機的啟動(dòng)命令，接收到啟動(dòng)命令后開(kāi)始進(jìn)行多路加速度信號的采集和處理，并將經(jīng)過(guò)線(xiàn)性修正和濾波的加速度數據實(shí)時(shí)發(fā)送給主控單片機。

中斷響應程序包括定時(shí)器中斷程序、DMA中斷程序和數據傳輸請求中斷程序。當系統打開(kāi)中斷后，一旦收到啟動(dòng)命令，便啟動(dòng)AD73360，同時(shí)定時(shí)器開(kāi)始計時(shí)；AD73360將轉換后的離散加速度數據經(jīng)McBSP0直接送到DMA,并分類(lèi)裝到各個(gè)RAM區間，當DMA指定的數據塊緩沖區充滿(mǎn)以后，DSP響應DMA中斷，對加速度值進(jìn)行線(xiàn)性修正和數字濾波；若主控計算機數據請求中斷產(chǎn)生，DSP通過(guò)并口、串口向主控計算機發(fā)送加速度值和空間位置信息；若定時(shí)器產(chǎn)生中斷，DSP將開(kāi)關(guān)變量T置為1。當中斷返回后，繼續進(jìn)行加速度數據處理，并判斷開(kāi)關(guān)變量T的狀態(tài)，決定是否給出控制信號。

試驗結果

因為在地面模擬三維加速度輸入較為困難，在數據采集試驗中，選用三路100Hz正弦信號作為模擬輸入，用1kHz采樣率進(jìn)行采樣。采集系統幅度和相位一致性較好，需要在實(shí)際應用中進(jìn)一步檢驗其采集精度。

結語(yǔ)

利用AD73360和TMS320V C5416進(jìn)行加速度采集系統設計需注意以下幾個(gè)問(wèn)題：由于DSP系統具有低功耗、雙電源和高速度性能，在設計時(shí)需考慮芯片引腳的外接方式和工藝特性； AD73360的模擬電源和數字電源要隔離；DSP和AD73360之間的接口在布線(xiàn)時(shí)需注意抗干擾，必要時(shí)可在串行數據線(xiàn)上串接10左右的電阻；在用AD73360提供的參考電壓作直流偏置時(shí)，最好先用運算放大器隔離。