基于DSP与串行A/D组成的高速并行数据采集系统方案

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TMS320VC5402(以下简称C5402)是德州仪器公司1999年推出的定点数字信号处理器(DSP)。与TMS320C54x系列的其他芯片相比，C5402以其独有的高性能、低功耗和低价格受到了人们的广泛青睐。C5402增强外设有软件等待状态发生器、锁相环时钟发生器、6通道直接存储器访问(DMA)控制器、增强型8位并行主机接口(HPI)等。两个可编程的多通道缓冲串口(McBSP)能够全双工、快速地与其他同步串口进行数据交换，硬件连接简单，串口的工作模式和传送数据的格式可通过编程实现。
        因为C5402内部没有集成A/D，因此在数据采集时需要使用A/D转换芯片，A/D芯片与C5402的接口设计成为一个重要的问题。A/D转换芯片一般有串行A/D和并行A/D。为了充分利用C5402所提供的多通道缓冲串口资源，简化系统设计，本文系统使用了TI公司的高速串行A/D来同时完成两路数据采集，大大提高了串口工作效率。
串行A/D芯片TLV1572
        TLV1572是高速的十位串行A/D转换芯片，可以通过3或4个串行口线直接与DSP或其他数字微处理器串口相连，不需要外加逻辑，但是转换速度受SCLK供给时钟的限制。TLV1572与DSP的多通道缓冲串口相连是通过CS、SCLK、DO和FS四条线完成的，此时DSP的CLKR产生移位脉冲，FSR产生帧同步信号，并分别提供给TLV1572。当T-LV1572与其他串口微处理器相连接时FS必须提供高电平，通过CS、SCLK、DO三条线来完成数据传输。当CS为高时，A/D芯片各管脚处于三态状态。在CS由高变低时，TLV1572检测FS引脚的状态来确定工作模式，若FS为低则为DSP模式，若FS为高则为其他微处理器模式。


图一 TL1572在DSP模式下的转换时序图

图二 TL1572在微处理器模式下的转换时序图

          当TLV1572工作在DSP模式时，必须保证在CS变低时，FS为低电平，并且要锁存一定时间。CS为低时，DO跳出三态状态，但是直到FS为高时芯片才脱离休眠状态。TLV1572在每个时钟SCLK的下降沿检测FS的状态，一旦检测到FS为高，TLV1572开始采样。在FS的下降沿，A/D芯片通过移位时钟将数据移到DO上。在6个前导0传送之后，DSP可以在时钟的下降沿得到A/D转换的数据，如图1所示。在最低位移出之后，A/D芯片自动进入休眠状态，直到FS下一次有效。如果FS在16位传输完成后立即有效，则A/D开始新的数据转换，此时A/D为连续转换。若FS在TLV1572转换数据的过程中变高，则A/D芯片被复位，开始新的数据转换周期。因此可以通过设置FS，改变数据传输的位数。
        当TLV1572工作在非DSP模式下时，FS引脚必须接高电平。在每次转换的过程中都必须提供16个时钟信号，若微处理器无法一次接收16位数据，可以分成8位两次接收，两次接收的时间间隔不能大于100μs，此时CS必须一直处于有效状态。在DSP模式下转换的开始是由FS信号有效来决定的，而在微处理器模式下，数据转换CS有效后的第一个时钟信号上升沿开始的，如图2所示。在微处理器模式下，也可以通过设置CS来改变传送的位数。

C5402的多通道缓冲串口
C5402提供两个高速、全双工、多通道缓冲串行口McBSP0、McBSP1，用数据线D(R/X)、帧同步线FS(R/X)和移位时钟线CLK(R/X)实现发送数据和接收数据。McBSP通过6个引脚(DX、DR、CLKX、CLKR、FSX和FSR)与外设接口。
(1)CLKX(发送时钟输入或输出)
芯片内部发送以为寄存器(XSR)通过该时钟信号将数据发送到DX引脚。该串口可以通过PCR寄存器的CLKXM位配置成使用内部时钟或者使用外部时钟。
(2)FSX(发送帧同步输入或输出)
FSX是发送开始的标志，串口可以通过PCR寄存器的FXM位配置成输入或输出。
(3)DX(串行数据发送)
串口数据发送是通过该口进行的。
(4)CLKR(接收时钟)
CLKR用来接收外部时钟信号，该时钟信号将DR数据移入接收移位寄存器(RSR)。可以通过PCR寄存器的CLKRM位配置成使用内部时钟或者使用外部时钟。
(5)FSR(接收帧同步输入)
FSR接收帧同步脉冲信号，标志数据接收开始。可以通过PCR寄存器的FRM位配置成输入,也可以配置成输出。
(6)DR(串行数据接收)
          串口数据接收是通过该口进行的。接收过程中，数据首先通过移位时钟CLKR的作用下移入RSR(接收移位寄存器)，然后，RSR中的数据再拷贝到DDR(数据接收寄存器)，拷贝完成时，产生RINT中断通知CPU来响应或REVTA中断通知DMA响应，同时设置RRDY中断标志位，也可以用查询方式来完成，从数据寄存器中读出数据。CLKX、CLKR、FSX、FSR即可以由内部采样率发生器产生，也可以由外部设备驱动。McBSP分别在相应时钟的上升沿和下降沿进行数据检测。每个McBSP最多可支持128通道的发送和接收，串行字长可选，包括8、12、16、20、24和32位，还支持μ率和A率数据压缩扩展。


系统硬件设计
        在分析了C5402多通道缓冲串口和串行A/D转换器TLV1572工作特点后，可以利用TLV1572工作在DSP模式，使其与C5402进行接口，在同步时钟信号的作用下完成A/D转换的数据传输。图3为整个数据采集系统的硬件原理图，本系统根据C5402的多通道缓冲串口特性，充分利用两个缓冲串口与两片串行A/D TLV1572进行数据传输。

         为了达到与C5402很好匹配，A/D电源和参考电压都接了3.3V。A/D的FS接DSP的FSX和FSR，使数据输入的帧同步信号由DSP产生。SCLK接DSP的CLKX和CLKR，这样数据的输入和输出时钟均来自DSP。C5402与两片A/D进行数据传输时，设置串口中断工作在00模式，即串口数据到达触发中断，这样CPU可以根据哪片A/D传输数据产生相应的串口中断RINT0或RINT1。当两个串口的数据同时到达，即同时申请中断时，C5402的CPU会根据中断优先级响应RINT0中断，然后再响应中断RINT1。为了保证数据通信的可靠性，避免数据冲突，在响应RINT1中断的过程中，串口0无中断请求。
       C5402芯片内配置有4K×16bit片内屏蔽式的ROM(F000-FFFF)。在4K ROM资源里包含了Bootloader程序，它允许程序放在外部较慢的存储器或微处理器中，并调到高速的DRAM存储器中运行，大大减小了C5402内部掩膜的需要，降低了电路设计成本。系统独立工作的内部逻辑由CPLD来完成，如图4所示。

          C5402上电复位装载时，由于Bootloader程序在初始化时设置XF为高电平，在系统进入并行引导装载模式后，C5402从数据寻址为0FFFFh单元(A15=1，选中Flash)中读取将要载入的程序存储区首地址，和并行转载数据流。此时，C5402可以将AT29LV1024 Flash地址08000h～0FFFFh单元中的数据读到C5402对应于0000h～7FFFh寻址区的片内DARAM和片外SRAM IS61LV6164中。
Bootloader程序结束后，在这个系统中，用户程序的第一条语句为RSBX XF，即置XF引脚为低电平，Flash始终不选通。这样，SRAM的高32K区域(08000h～0FFFFh)被释放出来，可以作为DSP系统运行时的数据区或程序区使用。
系统软件设计
系统的软件设计主要包括多通道缓冲串口的初始化、串口中断服务程序和并行装载程序设计等。
● 程序设计应注意的问题
(1)McBSP工作在数据接收中断方式，因此全局中断和串口中断的相应位应该合理设置。同时，在设置中断向量表时，使中断向量表的位置与处理器模式状态寄存器PMST中的中断向量指针IPTR相对应，使IPTR的9位地址指向128字的中断向量所在的程序页,同时，中断向量表要严格按照C5402规定的格式编写，否则不能正确地产生需要的中断结果。
(2)要实现DSP数据采集系统的脱机独立运行，需要给每台DSP配备独立的程序存储器，在整个系统上电或者复位时，由引导装载程序将存于片外的程序代码装载到片内DARAM或者系统的扩展存储器中，然后运行程序来完成对McBSP进行设置和其他程序。
(3)为了实现两路A/D和C5402之间的时序匹配，避免数据冲突，需要注意C5402采样率发生寄存器SRGR1中CLKGDV位的设置，使C5402工作时钟周期大于两个串口中断的响应时间。
若TLV1572以400KSPS转换速率来计算，每片A/D应该是每2.5μs向DSP发送一次数据，申请中断，CPU响应中断来接收数据。DSP工作在100MHz时，时钟周期为10ns,因此每个缓冲串口中断服务程序中可以执行一个少于125个时钟周期的程序而不影响串口的接收，若串口中断程序的时间不够用，还可以适当降低A/D转换速率，为串口中断提供更长的中断服务时间。
● 串口接收的部分初始化程序
下面根据多通道缓冲串口的特性和两路串行A/D工作的要求，主要介绍一下串口接收的软件设计和串口部分关键设置。
；＝＝＝＝＝初始化串口0＝＝＝＝＝
stm #0, SPSA0
stm #0000h, SPSD0 ; #0000H写入SPCR10
stm #1, SPSA0
stm #0000h, SPSD0 ; #0000H写入SPCR20
stm #2, SPSA0
stm #0040h, SPSD0 ; #0040H写入RCRC10，每字16位
stm #3, SPSA0
stm #0040h, SPSD0 ; #0040H写入RCR20，每帧一段，每段一字
stm #6, SPSA0
stm #000fh, SPSD0 ; #0009H写入SRGR10，时钟周期CLKG=6.4MHz
stm #7, SPSA0
stm #300fh, SPSD0 ; #3010H写入SRGR20，帧周期为16个CLKG
stm #0eh,SPSA0
stm #0a04h, SPSD0 ; #0A04H写入PCR0，FSX, CLKX输出，FSR,CLKR输入
；＝＝＝＝＝初始化串口1＝＝＝＝＝
串口1的初始化程序参见串口0
；＝＝＝＝＝启动接收＝＝＝＝＝＝＝
stm #0,SPSA0
stm #0001h, SPSD0 ；启动串口0接收
stm #1,SPSA0
stm #00c0h, SPSD0 ；内部产生时钟产生FSG
stm #0,SPSA1
stm #0001h, SPSD1 ；启动串口1接收
stm #1,SPSA1
stm #00c0h, SPSD1 ；内部产生时钟产生FSG
;＝＝串口0接收中断子程序＝＝＝
.sect "brint0"
host_brint0:
rsbx intm ；关中断
ldm drr0,A
stl A,*ar4+ ； 接收
……
其他处理程序
rete
结束语
本文介绍了两片串行A/D与C5402组成的数据采集系统，该系统硬件连接简单，A/D的采样率可以通过串口时钟灵活设置，通用性强。该数据采集系统已经成功应用到实验室的信号处理系统中，显示出设计灵活、高速、可靠等优点。