基于DSP的低功耗高速數據采集系統

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展及新器件的不斷涌現，電子系統在手持設備、便攜醫療儀器以及野外測試儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。在這些領(lǐng)域的應用中，由于客觀(guān)條件的限制，通常采用電池或蓄電池為儀器設備提供電源。在這種情況下，如要實(shí)現系統長(cháng)時(shí)間工作，必然對儀器設備系統功耗的要求較高，因此低功耗系統的設計在這些應用領(lǐng)域中得到廣泛重視。

1 TMS320VC5509簡(jiǎn)介

TMS320VC5509（以下簡(jiǎn)稱(chēng)VC5509）是德州儀器（TI）公司針對低功耗應用領(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的低功耗運行。VC5509支持豐富的外設接口，最高支持144MHz的時(shí)鐘頻率，片內具有雙乘累加器，每周期可執行一條指令或兩條并行指令，具有高達288MIPS的處理能力。VC5509內部存儲器采用統一編址，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片內只讀ROM，并可以實(shí)現高達4MB的外部存儲空間擴展，是一款具有較高性?xún)r(jià)比的低功耗 DSP芯片。VC5509的結構框圖如圖1所示。



2 系統設計與實(shí)現

本系統要求實(shí)現四通道同步采樣，每通道采樣頻率為50kHz，系統供電為+5V，全速運行時(shí)整體功耗低于250mW。針對這些技術(shù)指標，本系統以低功耗 DSP芯片TMS320VC5509為核心，采用串行EEPROM作為程序存儲器，選用四片微功耗12位ADC實(shí)現四個(gè)通道模擬信號的同步采集。系統中設計鐵電存儲器（FRAM）作為掉電保護數據存儲器，并設計一個(gè)異步串口實(shí)現與外部系統的通訊。系統原理框圖如圖2所示。

在保證實(shí)現系統功能的前提下，本系統從以下幾個(gè)方面進(jìn)行低功耗的設計：低功耗器件的選擇；高效率的電源設計；系統工作模式以及接口設計。

2．1 低功耗器件的選擇以及接口設計

模擬通道信號輸入A/D轉換芯片之前，需要對信號進(jìn)行一定的調整?？梢岳眠\放構成同相放大電路。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軌對軌輸入輸出，是專(zhuān)為電池供電等低功耗系統而設計的。

A/D轉換芯片采用的是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。



本系統利用外部譯碼器對四片A/D芯片進(jìn)行片選。A/D芯片正常工作時(shí)，需要系統提供一個(gè)工作時(shí)鐘輸入（CLKIN）以及一個(gè)啟動(dòng)轉換信號輸入（/CONVST），對應其轉換速率以及采樣速率。VC5409內部具有兩個(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內部具有三個(gè)同步串口，可對外輸出可編程串行時(shí)鐘信號（CLKX）以及幀同步信號（FSX），因此可直接利用一同步串口信號輸出作為A/D芯片所需要的時(shí)鐘信號輸入以及啟動(dòng)轉換信號，這里使用的是同步串口1。ADC接口電路如圖3所示。

系統工作流程大致如下：系統上電之后，程序初始化部分對同步串口1進(jìn)行設置，使四片A/D芯片同時(shí)開(kāi)始工作；利用其中一片A/D芯片的BUSY輸出信號觸發(fā)DSP的外部中斷0；設置數據緩沖區；在主程序中對采集到的數據進(jìn)行必要的處理；在中斷服務(wù)程序中依次從并口讀入四片A/D芯片的數據。

VC5509內部沒(méi)有FLASH，其程序加載需要外部存儲器。VC5509支持比較多的引導加載方式，這里采用的是SPI接口的EEPROM加載，如圖4所示。芯片選用的是ATMEL公司的SPI接口的低電壓串行EEPROM AT25256。AT25256主要適用于低功耗場(chǎng)合，內部按照32k×8位組織，可以工作在3.3V電壓下，最大串行時(shí)鐘頻率為2.1MHz。支持64字節的頁(yè)寫(xiě)方式以及字節寫(xiě)方式。另外，AT25256還可以通過(guò)設置寫(xiě)保護引腳/WP的電平來(lái)設置芯片的只讀或可寫(xiě)狀態(tài)。



VC5509采用SPI接口EEPROM模式加載時(shí)，默認同步串口0的信號引腳來(lái)模擬SPI接口，GPIO4作為EEPROM片選輸入。

VC5509 具有128K字節內RAM，為擴展數據存儲備份，外部擴展了兩片鐵電存儲器作為數據存儲器，如圖5所示。這里選用的是RAMTRON公司的 FM18L08。鐵電存儲器具有非易失性存儲器的特征，同時(shí)具有類(lèi)似RAM的讀寫(xiě)操作（非常方便），近兩年應用越來(lái)越廣泛。FM18L08內部按照32K ×8位組織，訪(fǎng)問(wèn)周期為70ns，讀寫(xiě)操作周期相同，易于使用。同時(shí)它也是一款支持低電壓工作的芯片，3.3V時(shí)典型工作電流為5mA，典型靜態(tài)電流為 7μA。

2．2 高效率電源的設計

VC5509 工作在雙電源電壓下，其核心電壓為1.6V，I/O電壓為3.3V。對雙電壓電源系統，常用的是有線(xiàn)性穩壓電源以及開(kāi)關(guān)穩壓電源，根據兩者對電壓轉換的原理的不同，電壓的轉換效率也有很大區別。對于線(xiàn)性穩壓電源，多用在較大的負載電流場(chǎng)合，其整體系統功耗分為兩部分，一部分為所有低功耗器件消耗，另一部分為線(xiàn)性穩壓器件本身所消耗。以輸入5V直流電壓轉換到3.3V電壓為例，理論電壓轉換效率約為66%。假設系統電流為50mA，則整個(gè)系統功耗實(shí)際上為 50×5=250mW，而并非50×3.3=165mW。而對于開(kāi)關(guān)穩壓器件，選用合適的器件，電壓轉換效率可以達到95%以上，電源器件本身消息功率可以極少，對相同的系統電流，整體系統功耗極大降低。因此，在低功耗小電流場(chǎng)合，選用開(kāi)關(guān)穩壓電源器件更為適合。



這里選用的是TI公司的TPS62000系列開(kāi)關(guān)穩壓器件TPS62000（可調輸出）和TPS62007（固定輸出3.3V）。TPS62000系列是專(zhuān)為低功耗CPU而設計的一系列電源器件，在輸出電流為10mA時(shí)，效率可達90%。同時(shí)，TPS62000系列工作在低功耗模式時(shí)，可根據負載電流的大小自動(dòng)在PWM和 PFM模式之間切換，以節省功耗。在雙電源系統中，核心電壓必須先于I/O電壓上電，后于I/O電壓斷電，這里利用TPS62000的PG信號作為 TPS62007的EN信號來(lái)實(shí)現。

2．3 系統的工作模式及接口設計

由于VC5509不具備異步串口，因此利用并/串轉換芯片TL16C750將其并口擴展為異步串口對外接口。

對整個(gè)系統而言，選擇工作在較低電壓下的低功耗芯片可以降低系統功耗；同時(shí)，設置適合的工作方式也可以降低系統功耗。對系統中大多數芯片而言，都帶有關(guān)斷控制或者自動(dòng)工作模式切換功能，因此不需人為干預，系統的功耗最終很大程度上落在DSP上。在不影響系統工作性能的前提下，適當降低DSP工作主頻可以降低系統功耗。



利用以上方案搭建的VC5509低功耗高速采集系統，在保證達到50kHz對四通道數據進(jìn)行同步采集的要求下，適當降低DSP工作主頻可以降低系統功耗，滿(mǎn)足實(shí)際要求，并且已經(jīng)得到驗證。