寬帶阻抗測量?jì)x的設計——微處理器電路設計（一）

微處理器電路主要完成通信、數據處理、功能控制、人機交互等工作。主要由TMS320F2812、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG等器件組成。其中晶體振蕩器、電源控制和WATCHDOG是TMS320F2812能夠正常運行的保證；DSP芯片配合完成各種控制任務(wù)。

5.1微處理器的選擇

目前，應用于工業(yè)控制系統的微處理器主要有單片機、DSP（Digital Signal Processor，數字信號處理器）和ARM（Advanced RISC Machines，高級精簡(jiǎn)指令集處理器）。

單片機的價(jià)格低廉，但性能較低、處理速度較慢，適用于對速度要求不高并且任務(wù)簡(jiǎn)單控制系統中。

ARM架構是面向低預算市場(chǎng)設計的第一款RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令系統計算機）微處理器，它提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。精簡(jiǎn)指令使微控制器的線(xiàn)路可以盡量?jì)?yōu)化，硬件結構更加簡(jiǎn)單，從而可以實(shí)現較低的成本和功耗。由于應用ARM的所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行，可以有效地縮短應用程序開(kāi)發(fā)與測試的時(shí)間，也降低了研發(fā)費用。目前ARM在電子消費類(lèi)產(chǎn)品中應用較多。

ARM處理器具有比較強的事務(wù)管理功能，可以用來(lái)運行界面以及應用程序等，其優(yōu)勢主要體現在控制以及低功耗方面。DSP主要是用來(lái)計算的，比如進(jìn)行加密解密、調制解調等，優(yōu)勢是強大的數據處理能力和較高的運行速度。DSP控制器的主要特點(diǎn)包括：

1.哈佛體系結構 哈佛結構是不同于傳統的馮諾依曼結構的并行體系結構，這是DSP控制器的最大特色。哈佛結構中，由于數據和程序存儲器在兩個(gè)分開(kāi)的空間中，每個(gè)存儲器獨立編址，獨立訪(fǎng)問(wèn)，并相應設置了程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)兩條總線(xiàn)，因此取指和執行能完全重疊進(jìn)行，使數據的吞吐率提高了一倍。

2.流水線(xiàn)操作 與哈佛結構相關(guān)，DSP芯片廣泛采用多級流水線(xiàn)，取指、譯碼、執行和數據存儲的操作可以并行、獨立地處理，這可使指令執行能完全重疊，從而大大提高了處理器的處理速度。

3.內置專(zhuān)用的硬件乘法器 DSP芯片有專(zhuān)用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內完成，這可以大大縮短數據處理算法中的乘法運算時(shí)間。這對于阻抗測量系統的設計來(lái)說(shuō)非常重要，因為在裝置軟件中，對數據的處理算法中就有很多會(huì )用到大量的乘法運算。若能縮短每條乘法指令的運算時(shí)間，就可以大大節省程序運行時(shí)間。

在阻抗測量領(lǐng)域中，對主控制器的要求主要體現在運算速度、數據處理能力以及復雜算法的實(shí)現能力等，而對事務(wù)管理能力及低功耗的要求并不高。綜合考慮阻抗測量對主控制器的要求以及上述各控制器的特點(diǎn)，選用DSP作為主控制器。

當今世界上，生產(chǎn)DSP控制器的大公司主要有TI公司（Texas Instruments Incorporated，德州儀器公司），AD公司（Analog Device Incorporated，模擬器件公司）、MOTOROLA公司等。

在眾多的DSP生產(chǎn)公司，本文選用了TI公司的DSP作為主控制器。選擇該公司的產(chǎn)品主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

1.TI公司的DSP控制器種類(lèi)齊全，并且該公司的DSP控制器屬于通用型DSP控制器，與單片機相比，具有更加適合于數字信號處理的軟件和更豐富的硬件資源；與其它公司的專(zhuān)用型DSP控制器相比，應用更加廣泛。

2.TI公司的DSP控制器每個(gè)系列的不同型號之間雖然外設可能變化很大，但在代碼上卻是繼承的，這樣利于用戶(hù)根據需要來(lái)改變自己的方案。

3.TI公司是世界上最大的DSP控制器供應商，其DSP市場(chǎng)份額約占全世界份額的50%，在中國市場(chǎng)上，其份額占到了70%；TI公司的DSP在中國市場(chǎng)上的技術(shù)支持、服務(wù)及應用情況都占絕對優(yōu)勢。

現在TI公司主要推出的產(chǎn)品包括三種DSP系列[29]，它們是TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。其中，TMS320C5000和TMS320C6000系列都集成了高性能的CPU，其目標是適用于大量存儲器和高級語(yǔ)言的微機系統以及嵌入式系統中。而TMS320C2000系列不集成高性能的CPU，而把許多其它功能，例如A/D、FLASH、定時(shí)器、CAN控制器、SPI接口、SCI接口、PWM等集成在一個(gè)芯片上。這種芯片外部擴展能力較弱，一般用于實(shí)時(shí)控制系統中。

阻抗測量系統屬于實(shí)時(shí)控制系統，基于阻抗測量的算法，處理速度以及成本的考慮，此次設計采用TI的TMS320C2000作為主控制器。

TMS320C2000中主要有TMS320C/F28x和TMS320C/（L）F24x兩個(gè)子系列。其中TMS320F28x是繼TMS320F24x之后出現的一種低價(jià)格、高性能的32位定點(diǎn)DSP芯片。它是在TMS320F28x為內核的基礎上擴展了相應的存儲器并集成了大量的片內外設而成的新一代適用于工業(yè)控制的DSP芯片。TMS320F2812就是其中的一種。

TMS320F2812中采用了多總線(xiàn)的哈佛結構，這樣就使總線(xiàn)操作時(shí)序分為取指令、指令譯碼、取操作數和執行指令四個(gè)獨立階段并行處理，從而極大地加快了微處理器芯片的處理速度。其中內部地址總線(xiàn)分為3條，即程序地址總線(xiàn)（PAB）、數據讀地址總線(xiàn)（DRAB）和數據寫(xiě)地址總線(xiàn)（DWAR）；內部數據總線(xiàn)也對應分為3條，即程序讀數據總線(xiàn)（PRDB）、數據讀數據總線(xiàn)（DRDB）及數據程序寫(xiě)數據總線(xiàn)（DWDB）。而外部數據總線(xiàn)（XD，16位）和地址總線(xiàn)（XA，19位）仍為單一形式，這使得眾多的外圍芯片可與其兼容。

與多組總線(xiàn)形式的哈佛結構相關(guān)，在TMS320F2812處理器中采用了流水線(xiàn)操作以減少指令執行時(shí)間，允許DSP同時(shí)進(jìn)行程序指令和存儲數據的訪(fǎng)問(wèn)，從而增強了處理器的處理能力。在TMS320F2812中采用了八級邏輯流水線(xiàn)，也就是說(shuō)，處理器可以并行處理多條指令，每條指令處于流水線(xiàn)上的不同階段，從而實(shí)現了一種并行處理的機制。同時(shí)，TMS320F2812還具有專(zhuān)門(mén)針對片上Flash存儲器的Flash流水線(xiàn)模式，能顯著(zhù)提高指令從Flash中執行的速度。

TMS320F2812具有低功耗的特點(diǎn)，它采用靜態(tài)CMOS工藝，芯片供電電壓為1.8V（內核）、3.3V（I/O），相比于采用5V工作電壓的系統，它的功耗可降低很多。

TMS320F2812片內有多種形式的存儲器及多個(gè)不同的存儲空間。采用程序與數據存儲器統一編址的存儲體組織形式，為用戶(hù)分配存儲器提供了很大的靈活性。TMS320F2812提供了外部存儲器接口，可擴展1M的外部存儲器。由于TMS320F2812本身具有非常大的Flash，所以一般不必外擴ROM，外部RAM可以根據需要進(jìn)行擴充。