數據采集系統中的DSP控制系統

1 引 言

隨著(zhù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理器(DSP)得到了廣泛的應用，基于A(yíng)／D，DSP，D／A的數據采集模式已經(jīng)被大多數人所接受。在現代生物信號采集方案中，人們不僅要求系統有高速的數據處理能力，而且還要求其有高速的數據處理能力和高精度、多通道的D／A轉換能力。

本文的目的是設計一個(gè)生物信號傳感器的控制系統。在一些信號采集回路中，某些傳感器的最佳工作電壓隨著(zhù)環(huán)境的變化而變化，這就要求系統在正式采集有效信號前將傳感器調到最佳工作電壓。這時(shí)系統不僅要求高速的數字信號處理能力，而且要求對前端多路傳感器的適時(shí)控制，于是選擇由TMS320VC5416和MAX5633所組成的生物信號采集控制系統。以下重點(diǎn)分析SPI口的配置以及DSP通過(guò)SPI對MAX5633進(jìn)行數據傳輸的代碼實(shí)現。

2 芯片介紹

C5416屬于TI公司TMS320C54X系列DSP芯片，是一種低功耗、高性能的定點(diǎn)DSP芯片。它的主要特點(diǎn)有：運算速度快，可達160 MIPS。優(yōu)化的CPU結構：內部有1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元(ALU)、2個(gè)40位的累加器、2個(gè)40位的加法器、1個(gè)乘法器和1個(gè)40位的桶型移位器、有4條內部總線(xiàn)和2個(gè)地址發(fā)生器。多總線(xiàn)結構：包括3條獨立的16位數據總線(xiàn)和1條23位的地址總線(xiàn)。低功耗方式：TMS320C5416DSP可以在3.3 V，1.6 V的低電壓下工作，3種低功耗方式(IDLE1，IDLE2和IDLE3)可以節省DSP功耗。智能外設：包括軟件可編程等待狀態(tài)寄存器、可編程PLL時(shí)鐘發(fā)生器、1個(gè)16位的計數器、6個(gè)DMA控制器、3個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP0-2)和與外部處理器通信的HPI(Host Post Interface)接口。

MAX5633是美國MAXIM公司生產(chǎn)的一種32通道高精度采樣保持D／A轉換器。它內含1個(gè)16位DAC、1個(gè)帶內部時(shí)鐘的時(shí)序控制器、1個(gè)片內RAM以及32路采樣保持放大器。其中DAC電路由2部分組成。在16位DAC中，高4位可通過(guò)15個(gè)同值電阻組成的權電阻網(wǎng)絡(luò )完成相應的轉換，其余位的轉換則由1個(gè)12位R-2R梯形網(wǎng)絡(luò )來(lái)完成。其32路帶緩沖的采樣保持電路通過(guò)內部保持電容來(lái)使輸出壓降維持在每秒1 mV的范圍內，且不需要配置外部增益和偏置電路。MAX5633能提供最大200μV的分辨率和0.015％FSR的高精度轉換，其輸出電壓范圍為-4.5～9.2 V。其理論輸出電壓由參考電壓、增益以及輸入的編碼共同決定：

其中：code是5633輸入的16位二進(jìn)制代碼；VREF是MAX 5633的輸入參考電壓；VGS是地的敏感輸入電壓，通常直接接地。MAX5633具有工作溫度范圍寬以及串行接口靈活等特點(diǎn)，適用于處理大量模擬數據輸出的場(chǎng)合。

3 系統工作模式

MAX 5633的轉換過(guò)程是先從串行數據端DIN送進(jìn)要轉換的16位數據D15～D0(高位在前，低位在后)，然后送進(jìn)5位地址A4～A0(用這5位地址編碼來(lái)選擇輸出的通道號)。地址的后2位是控制字C1和C0，其中C1為1是立即更新模式，為0則為觸發(fā)模式；C0為1表示選擇外部時(shí)鐘序列，為0則選擇內部時(shí)鐘序列。C1，C0之后應補1位0。當片選CS變低后，系統將在每一個(gè)時(shí)鐘的上升沿送進(jìn)一位數據。送完最后一位數據(即第24個(gè)數據后)后片選CS變高。而當CS為高電平時(shí)，任何輸入數據都無(wú)效。

MAX 5633有3種工作方式分別為順序模模式、立即更新模式和碎發(fā)模式。其中順序模式為默認工作模式。通過(guò)設定C1=1將MAX 5633配置成立即更新模式。立即更新模式用于更新單個(gè)SRAM的內容，同時(shí)更新相應的采樣保持放大器輸出。在這種模式下，所選擇的通道輸出會(huì )在順序操作恢復前更新。用戶(hù)可以通過(guò)設置IMMED或使C1為高電平選擇立即更新模式。當片選CS為低電平時(shí)，原訪(fǎng)問(wèn)順序被打斷。輸入字被存儲在對應于被選擇通道的SRAM中。此時(shí)DAC轉換和相應的采樣保持對輸入串口完全透明。相應的輸出通道將得到立即更新。更新后，時(shí)序將回到原來(lái)中斷的SRAM地址重新開(kāi)始順序更新。立即更新操作需要占用2個(gè)時(shí)序周期，其中一個(gè)周期用來(lái)使時(shí)序控制器繼續完成正在進(jìn)行的操作，另一個(gè)用來(lái)進(jìn)行新數據的更新。

MAX 5633的輸人口為SPI接口，要實(shí)現MAX5633與DSP通信，需將TMS320VC5416的MCBSP0口配置成SPI口。MCBSP在結構上可分為1個(gè)數據通道和1個(gè)控制通道。表1給出了有關(guān)引腳的信號定義。DX引腳負責數據的發(fā)送，DR引腳負責數據的接收，另外4個(gè)引腳提供控制信號(時(shí)鐘和幀同步)。C5416通過(guò)片內的外設總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)串口的控制寄存器實(shí)現與MCBSP的通信和控制。

數據通道完成數據的收發(fā)。CPU和DMA控制器向數據發(fā)送寄存器(DXR)中寫(xiě)入要發(fā)送的數據，從數據接收寄存器(DRR)讀取接收到的數據。寫(xiě)入DXR的數據通過(guò)發(fā)送移位寄存器(XSR)移位輸出至DX引腳。同樣，DR引腳上接收到的數據先移位進(jìn)入接收轉換寄存器(RSR)中，然后被復制到接收緩沖寄存器(RBR)，RBR再將數據復制到DRR中，最后等待CPU和DMA控制器讀取數據。這種多級緩沖方式使得片內的數據搬移和外部數據的通信可以同時(shí)進(jìn)行。

4 硬件連接電路