1、xx 大学学士学位论文- I -基于 DSP 数据采集系统的设计摘要随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理已经成为高速实时处理的一项关键技术，广泛应用在语音识别、智能检测、工业控制等各个领域。很多要求对快速处理的实时数据采集处理系统，选用 DSP(数字信号处理器)作为核心处理器。本文阐述了一种基于数字信号处理器的高速数据采集系统的总体设计方法，分析了该系统在设计实现过程中需要解决的一些技术问题和难点，并对系统各部分功能的实现方法作出了详细的分析和介绍。本文设计的数据采集处理系统采用 TMS320F2812 作为核心处理器完成对模拟信号的采集和处理。这款 DSP 有丰富的片内外设，用它作为
2、处理器进行电路设计，可以使电路结构设计简单，成本低廉、开发周期较短。系统选用 USB 作为和上位机通信的接口，实现处理数据的上传以及上位机对 DSP 的控制。采集到的数据经过 DSP 的处理后，通过 USB 上传到 PC，由上层软件进行进一步的处理。根据系统的结构与功能要求，经过两种方案的比较，决定选用 DSP 芯片自带的 AD 模块作为系统的模数转换模块。经过试验结果检验，F2812 内部模数转换器精度能满足系统的要求，本文还提出了提高转换精度、消除干扰的一些措施。在采集速度方面，系统采用级联同步采样方式对信号进行采集，采集转换速度可以大大提高。由于本文所用的核心处理器 TMS320F281
3、2 上电顺序与其它 DSP 不同，CPU核先上电 I/O 外设后上电，针对这一问题，本文给出了一种电源供电设计方案，解决了上电顺序的问题。由于需要采集处理的图像数据量较大，F2812 内部的存储资源无法满足要求，本文结合 DSP 芯片存储结构的特点，给出了扩展片外存储器的接口设计方案。此外，本文还给出了系统的主要流程图，并详细叙述了系统的软件设计和实现过程，包括系统的初始化，数据采集，模数转换模块，数据处理算法，数据通信及代码优化等。并详细介绍了作为通信接口的 USB 固件的开发流程。关键词 数字信号处理器；数据采集；USBxx 大学学士学位论文- II -The Design of Data
4、 Acquisition System Based on DSPAbstractWith the rapid development of computer and information technology, Digital signal processing technology has been more and mole important in high-speed and real-time processing.It is widely used in graph and image processing, voice identification,intelligent ch
5、ecking,industry control and other fields.A lot of rea-timedata acquisition and processing systems choose DSP(Difital Signal Processor)as hiscore processor,which ask for dealing with the collecting image data fast.In this paper,we proposed a high-speed data collection system based on the digital sign
6、al processing.We solved a lor of technology problems and difficulties in the system design and implement way of all kinds of function units is also introduced and analyzed in this paper.The data acquisition and processing system completes acquisition and processing to the analog signals and control
7、of the machine using the chip of TMS320F2812.As this chip has abundant of peripheral,we can have a simple circuit architecture,a lowcost and a short development time by using it.We choose USB(Universal Serial Bus) as the communication interface of DSP and the computer which can fulfill up datatransf
8、er and the control to DSP.The acquisitioned and processed data is transferred to PC through the USB and dealed with by the top software.According to the systems need,we choose the analog to digital unit inside DSP asthe systems through the compare of two design themes,which is proved to meet theneed
9、 of the system totally through the results of tests.Some methods are also bringedforward to improve to the precision of the internal A/D converter and remove theelectric disturb.Furthermore,we use simultaneous sampling mode and cascadedsequencer mode to improve the acquisition and convert speed.As f
10、or the order of electrifying for core professor-TMS320F2812,its CPU is electrified earlier than the I/O peripherals which is different from others.Aiming at thisproblem,a power supply design method has been brought forward,which solves theorder of electrifying.For the large amount of image data that
11、 requires to be processed,the inter memory resources of F2812 cant meet the demand.As for this point,this theme extends the outside memory according to the internal memory characters of the DSP chip.In addition,this theme gives the flow chart of the main program and the detail methods about the syst
12、ems software design and implement,including systems initialization,data acquisition,analog to digital converter unit,data processing,data communication and code optimization.The development flow of USB firmware is also introduced in this theme.Key words DSP;data acquisition;USBxx 大学学士学位论文- III -目录摘要
13、 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 课题提出的背景和意义 .11.2 DSP 系统的构成及设计过程 .21.3 课题研究的内容 .31.4 论文的章节安排 .3第 2 章 系统的实现方案 .52.1 采集处理系统分析 .52.2 系统的器件选型 .62.2.1 微处理器的选型 .62.2.2 串型接口的选型 .92.2.3 存储器的选型 .102.2.4 其他器件的选型 .102.3 本章小结 .11第 3 章 系统的硬件设计 .123.1 系统的前端数据采集 .123.1.1 采用 ADS8364 作采集芯片 .123.1.2 采用 F2812 自带的 ADC 模块
14、.133.2 DSP 的外围电路设计 .153.2.1 电源电路 .153.2.2 时钟电路 .163.2.3 复位电路 .183.2.4 JTAG 电路设计 .193.3 F2812 与存储器的接口设计 .203.3.1 F2812 存储资源分配情况 .203.3.2 外扩存储器接口设计 .223.4 F2812 与 68013 的接口设计 .233.5 本章小结 .24第 4 章 系统的软件设计 .254.1 系统的开发环境 .254.1.1 CCS 开发环境 .254.1.2 USB 的固件开发环境 .264.2 DSP 部分的软件设计 .26xx 大学学士学位论文- IV -4.2.1
15、 系统的初始化程序设计 .284.2.2 A/D 转换部分的软件实现 .294.2.3 SCI 部分软件设计 .314.2.4 DSP 与 USB 通信部分的软件控制程序 .324.2.5 命令文件的编写及程序的优化 .334.3 USB 部分的软件设计 .354.4 本章小结 .36结论 .37致谢 .38参考文献 .39附录 A.41附录 B.45xx 大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题提出的背景和意义随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，数字化已广泛深入地应用于现代国防,现代科技和国民经济的各个领域.在社会活动和个人生活中都随处可见。20 世纪 60 年代以
16、来，数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)日渐成为一项成熟的技术,并在多项应用领域逐渐替代了传统模拟信号处理系统.传统的信号处理系统采用模拟技术进行设计和分析，处理设备和控制器采用模拟器件实现.与之相比，数字信号处理技术与设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点,所以目前大多设备采用数字技术设计实现 1。数据采集是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。随着现代科学技
17、术的发展和计算机技术的普及，告诉数据采集系统已应用于越来越多的场合,如通信、雷达、生物医学、机器人和语音等领域。数字信号处理器(DSP)是一种特别适合于各种数字信号处理运算的微处理器，也是嵌入式处理器的一种通常，嵌入式处理器包括微处理器、微控制器、数字信号处理器和单片机等。随着计算机和信息产业的告诉发展，特别是数字信号处理器的诞生与快速发展，使各种数字信号处理算法得以实施实现，使得数字信号处理学科在理论和方法上都获得了迅速发展。由于 DSP 具有丰富的硬件资源，改进的并行结构、告诉数据处理能力和强大的指令系统，它已经成为世界半导体产业中紧随微处理器与微控制器之后的又一个热点，在通信、航空、航天
18、、国防、工业控制、网络及家用电器领域得到了广泛的应用。DSP 芯片在的高速信号处理方面具有速度快、运算性能好等优点，内部采用改进的哈佛结构，使得微处理器 的并行处理能力大大增强 2-4。而在计算机接口技术方面，通用串行总线（Universal Sraial Bus,简称 USB）近几年得到了长足的发展。USB 是一些 PC 大厂商如 Microsoft、Intel 等为了结局日益增加的 PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准，自1995 年在 Comdex 上亮相以来至今广泛地为各 PC 厂家所支持。现在生产的 PC几乎都配备了 USB 接口， Microsoft
19、的 Window98、NT 以及 Linux、FreeBSD 等流行操作都增加了对 USB 的支持。与其他通信接口比较，USB 接口的最大特点是易于使用，这也是 USB 的主要设计目标。作为一种高速总线接口，USB 适用于多种设备，如数码相机、MP3、播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在 USB 接口支持热插拔，并且所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预 5。USB 接口支持 1.5MB/S（低速） 、12MB/S(全速)和高达480MB/S(USB2.0 规范) 的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等数据传输，USB 的最大理论传输速率仍达 1.2MB/S 或 9.
20、6MB/S，远高于一般xx 大学学士学位论文- 2 -的串行总线接口。1.2 DSP 系统的构成及设计过程DSP 是一种具有特殊结构的嵌入式微处理器，为了达到快速数字信号处理的目的，DSP 芯片一般具有哈佛结构的并行总县体系、流水线操作功能、快速的中断处理和硬件 I/O 支持、低开销循环及跳转的硬件支持、单周期硬件地址产生器、单周期硬件乘法器以及一套适合数字信号处理的指令集。如图 1-1 所示为一个典型的 DSP 系统框图 46。抗混叠滤 波输入 A/D DSP芯片D/A平滑输出输出图 1-1 典型的 DSP 应用系统输入信号首先进行带限滤波抽样，然后进行 AD 转换把模拟信号变换成数字信号。
21、根据耐奎斯抽样定理，为保持信息不丢失，抽样频率必须至少输入带限信号最高频率的 2 倍。图 1-1 给出的 DSP 应用系统模型是一个典型的模型，并不是所有的 DSP 系统都必须具有模型中的所有部件。例如语音识别系统在输出端并不是模拟信号而是识别结果，如数字、文字等。有的系统的输入信号本身就是一个数字信号，显然不必再进行模数变换了。图 1-2 DSP 系统的设计流程一个数字信号处理系统是电子技术、信号处理技术和计算机技术相结合的产物，系统设计通常分为信号处理部分和非信号处理部分。信号处理部分包括xx 大学学士学位论文- 3 -系统的输入和输出、数据的处理、各种算法的实现、数据显示和传输等，非信号
22、处理部分则包括电源、结构、可靠性和可维护性等。如图 1-2 是 DSP 系统设计的一般方法。系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然，DSP 系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改过简化算法。1.3 课题研究的内容本课题研究如何以 DSP（数字信号处理器）和 USB（通用串行接口）为核心构建硬件系统平台，完成采集处理系统的核心
23、设计。这些核心包括DSP、USB、存储器等，研究的主要内容在硬件上主要为核心组件的接口设计，软件上包括数字信号处理算法、采集控制及驱动设计等。本文的研究主要包括以下几个方面：1对 DSP 技术进行广泛的学习和研究，了解各系列的 DSP 的结构及用途，根据课题需要选择高性价比的主处理器，本课题选择 TI 公司的 TMS320F2812作为主处理器，熟悉该款数字处理器的结构、外设及各个模块的功能和各个寄存器的作用及构造。2了解通用串行借口（USB）的工作原理及通信协议，选择合适的 USB接口芯片，本文选用了 CYPRESS 公司的 CY68013A，了解该芯片的功能构造及外设引脚，熟悉 USB 固
24、件程序进行调试。3根据课题需求和 DSP 芯片的硬件特点提出基于 DSP 的数据采集处理系统的总体设计方案。4在 TI 公司的 Code Composer Studio 2.2 for C2000（ccs）下对TMS320F2812 进行软件仿真，熟悉 CCS 的开发环境，在内部 进行一些算法调试工作。1.4 论文的章节安排本论文共分为四章，各章的内容安排如下：第一章概述了课题“基于 DSP 的数据采集处理系统的设计与实现”的提出和意义，并对所要研究的内容进行了总结。第二章从全局出发探讨了基于 DSP 的数据采集处理系统的总体设计方案，阐述了系统的工作原理，并根据系统的目标要求对核心处理器及外
25、围器件的选型进行了分析。第三章介绍了采集处理系统的硬件电路设计，包括 DSP 电源电路、AD 转换模块、时钟电路、复位电路、JTAG 接口、DSP 外部扩展存储器的接口电路以及 DSP 和 USB 的接口电路等。第四章介绍了系统的软件流程图，并分成 DSP 设计和 USB 设计俩大部分xx 大学学士学位论文- 4 -对系统的软件实现方案进行了分析，并对 DSP 初始化以及 DSP 和 USB 的接口软件设计进行了详细的论述。xx 大学学士学位论文- 5 -第 2 章 系统的实现方案2.1 采集处理系统分析本数据采集处理系统采用内部有模数转换起的 DSP 作为主处理器，这是一种结构简单、功能强大
26、、经济实用的多通道高速数据采集处理系统，不仅具有数据采集与传输功能，同时具有运动控制功能。它由机械运动、传感器、数据采集、数据处理等几个部分组成。它通过传感器部分将光学标记信号转化为电信号，再通过数据采集部分将电信号转化为数字信号，并由数字信号处理部分进行相应的处理，根据采集到的数据结果来控制设备进行相应的运动，并且将采集处理后的结果传诵到计算机系统。根据设计要求，结合目前市场使用情况，本系统选用 TI 公司新近推出的专门用于控制领域的 TMS320F2812。这是一款 32 位 DSP 芯片，它的体系结构是专为实时控制及实时信号处理而设计，其所配置的片内外设为本系统提供了一个理想的解决方案。
27、其中它的通用 12 位 16 通路 A/D 电路、定时器、脉宽调制PWM 电路、捕捉器、光电编码器、串行通信接口、看门够等片内外设为 DSP应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了丰富的资源。传感器TMS320F2812步进电机电源 SRAMUSB上位机信号调理图 2-1 系统的总体设计框图本系统是一个高速信号采集处理系统，其基本结构如图 2-1 所示。系统的工作流程为：本数据采集处理系统通过 USB 接口接受 PC 机命令，进行数据采集与数据传输；启动步电机控制传感器采集数据然后变为电信号；再经过信号调理达到 DSP 的输入电压标准后，使用 F2812 芯片内部的模数转换模块（AD
28、C ）进行数据的采集及 A/D 转换；转换后的数据预先存储到片外的 RAM中，再经 DSP 进行前端的数字信号处理后，通过 USB 总线传给上位机，并在上位机上进行存储、显示和分析。根据系统各部分的功能的不同，可将系统分为输入信号调理模块、数字信号处理模块和 USB 模块。期中输入信号调理模块主要是对被采集的模拟信号进行调理（如电平变换和滤波） ，以满足数字电路对信号的要求；数字信号处理模xx 大学学士学位论文- 6 -块是对输入的电信号进行采集和处理，主要由 DSP 和一些必要的外设组成，DSP 负责数据采集及一些实时处理，同时要完成系统的逻辑和时序控制；USB模块则将 DSP 处理完的结果
29、传送到上位机上去进行显示、计算和分析。该系统完全可以满足信号采集处理对高精度及实时性的要求，由于系统的数据量较大，因此需要一种高速的数据传输方式，而 USB2.0 总线传输速度快，能达到480Mbit/s 的速度，满足了本系统数据传输的需要。该系统要求采样的精度到 8位数字量，用 F2812 自带的 ADC 模块就可达到很好的效果，省去了专用的ADC 芯片，使系统的时序控制变得简单，从而降低了系统的复杂性，也节约了成本。2.2 系统的器件选型本系统设计的目的在于开发体积小、成本低的采集处理系统。所以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面尽可能减少系统资源的冗余，提高系统的集成度。2.2.1 微
30、处理器的选型目前的微处理器分为通用处理器、单片机和 DSP 三大类。DSP 与单片机、传统的通用微处理器相比具有很大的优越性。与目前普遍采用的单片机相比，DSP 具有较高的集成度并具有更快的运行速度，DSP 器件比 16 位单片机单指令执行时间快 810 倍，在乘法处理上，DSP 的优势更为明显，完成一次乘累加运算快 1630 倍。这一性能决定了 DSP 的应用领域主要集中在较复杂的算法处理中，如：数字图象处理、数字语音编码等领域，而单片机则主要用于工业控制等对处理速度和处理性能要求较抵的环境 7。DSP 芯片也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时
31、快速的实现各种数字信号处理算法。DSP 芯片是实现数字信号处理技术的硬件支持，是数字信号处理技术与数字信号处理应用之间的桥梁和纽带，随着全球集成电路事业的发展，美国的 TI 公司成为世界上最大的 DSP 芯片供应商，其 DSP 市场份额占全世界份额近 50%，其 DSP 产品根据功能氛围三个系列 TMS320C2000 系列，TMS320C5000 系列，TMS320C6000 系列，本系统选用的就是 TI 的 2000 系列的 TMS320F2812 芯片。随着信息技术的不断发展 DSP 必将得到更加广泛的应用。通用 DSP 芯片一般具有如下主要特点 8-10：1多总线结构。世界上最早的微处理器是基于冯诺伊曼结构的，其取指令、取数据都是通过同一条总线完成的，因此必须分时进行，在高速运算时，往往传输通道上会出现瓶颈效应。而 DSP 内部采用的哈佛（Harvard）结构，它在片内至少有四套总线；程序地址总线、程序数据总线、数据的地址总线和数据的数据总线。这中分离的程序和数据总线，可允许同时获得来自成局存储器的指令字和来自数据存储器的操作数而互不干扰，这样使得其可以同时对数据和程序进行寻址。2指令系统的流水线操作。在改进的哈佛结构的基础上，大多数 DSP 芯
