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用TMS320C6711DSK构成的多通道数据采集系统

更新日期:2008-01-14  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

来源:单片机嵌入式系统应用 作者:北京交通大学 董刚 吴命利


摘要 基于TI公司的TMS320C6711DSK开发一种多路高速数据采集系统,可用于电力系统中对三相电压、三相电流进行的高速同步采样。介绍TMS320C6711DSK的特点、使用方法,给出系统的设计方案,并着重讨论TMS320C67llDSK在系统中的应用及其与子板接口电路设计


关键词 TMS320C67llDSK 多通道数据采集 同步采样 接口电路设计


引 言
随着现代电子技术的发展,对于信号采集的要求越来越高,不但要求有较高的采样精度和速度,而且在某些特定的应用中,还要考虑采样的实时性。
TMS320C6711(简称为“C67ll”)DSP是TI公司在200O年推出的C61300系列中的新片种。应用C6711 DSP作为高速数据采集系统的主处理器,完全能够满足实时性的要求,对采集到的数据进行实时处理;但目前基于C6000系列的系统设计工作还存在着硬件设计困难及成本太高等诸多问题。若完全从底层开始架构系统设计方案,则工作量很大,困难较多,因此目前一个良好的折衷方案是在TMS320C6711DSK(简称为“C6711DSK”)平台上进行开发。


1 TMS320C6711DSK介绍
1.1 TMS320C6711DSK的特点

C6711DSK开发平台的主要特点有:
◇板上留有2个80脚的接口,方便系统扩展;
◇EMIF接口有两种时钟模式可以选择,时钟频率分别为150MHz和100MHz;
◇100 MHz的16MB同步动态存储器(SDRAM);
◇直接提供1.8V和3.3 V直流电源
◇JTAG仿真器,可支持并口或外接XDS510支持;
◇1个并行接口,主机可通过该并口访问开发板上的存储嚣;
◇150 MHz主频,可执行900 MFLOPS浮点操作;
◇128 KB的可编程Flash存储器;
◇16位语音CODEC电路
1.2 TMS320C6711DSK总线扩展
由于C6711DSK与外部子板之间所有的信导传送都是通过板上预留的2个80脚插头(J1和J2)。其中Jl集中了外部存储器接口EMIF的接口信号(数据线、地址线、读/写控制等),可以方便地进行存储器扩展。J2提供了其他外围器件的信号汇总,包括多通道串口、中断、时钟、计数器等。Jl和J2提供了大多数的板上内部总线信号,开发者可以方便地通过这个插头共享C67llDSK的系统板,开发自己的应用系统。
J1的引脚分配如表1所列。J2主要是一些控制信号,包括一些外设的接口信号,如多通道缓冲串口、定时器、外部中断等,如表2所列。利用J2提供的信号,可以方便地使用C6711 DSP的片内外设,其中多通道缓冲串口、定时器等信号既可以当作特殊功能外设信号使用,也可以被设定为通用I/O口,这在一定程度上弥补了C6711 DSP通用I/O口不足的缺点。如果扩展外部系统中所需的I/O口不多,则完全可以使用开发板自带的I/O;但是如果所需I/O较多,则还要另加CPLD或单片机扩展I/O功能。
1.3 TMS320C6711DSK的电源和地
C6711DSK开发板上提供了12 V、-12 V、5 V、3.3 V电压供外部扩展子板,可以直接使用。在使用时要注意其驱动能力。该开发板总共可以供给子板5 V/l A的功率,板上还带有一一个外接电源连接器。驱动能力不足时,可以使用外接电源,但要注意外接电源和开发板上的供电电源不可同时使用。板上提供了系统统一地,使用时外接子板的GND信号和开发板上提供的地(VSS)直接相连即可。



由上述可以看出,C6711DSK提供了相当多的信号,方便系统的扩展,使用起来非常方便;唯一不足的是,系统提供的I/O口偏少,在某些应用场合下远远不够,需要外接器件进行扩展。本设计的数据采集系统须用到较多的外部I/O,因此扩展了1片16位单片机80C196KC作为协处理器,扩展系统的I/O口;同时与外部进行通信,处理一一些外部请求。


2 基于C6711DSK数据采集系统设计
2.1 系统总体硬件设计
本高速同步数据采集系统主要针对电力系统的参数测量与故障检测。在设计中充分考虑了电力系统中数据采样的特点,A/D转换芯片选用丁Maxim公司的MAXl25AEAX芯片。该芯片主要针对电力系统采样中实时性强,需进行多路同步采样的要求设计,能够进行多通道高速同步采样,最高采样率为76 ksps(四通道),完全能够满足电力系统采样的要求。
设计中采用双处理器架构,是为了充分利用DSP的数据处理能力强的特点。DSP主要负责对采集到的电网参数信息(三相电压、三相电流)进行FFT和数字滤波等一系列运算,并计算出有功功率和无功功率,对电压电流值进行高次谐波分析,给出幅度、相位以及三相电压、电流的总畸变率。由于DSP的运算速度快,且在结构上特别适合进行FFT和实现数字滤波等功能,因此由1片DSP完成系统大量主要的运算,能够满足系统对于实时性的要求。2片处理器之间通过1片双口RAM实现数据共享,DSP将运算结果放到双口RAM的指定单元,并同时发送信号给单片机,通知数据发送完毕,单片机接收信号读取数据。通过握手信号,可以保证2片处理器之间的数据无差错传输;同时通过单片机系统还能接受键盘指令,发送数据显示,并能与外部计算机进行通信
系统硬件设计框图如图1所示,电压、电流等模拟量首先通过变压器转换成-5~+5V的电压,并在抗混叠滤波后接入MAXl25AEAX。2片MAXl25AEAX对6路信号进行同步采样,每周波采样64点。MAXl25AEAX将采样数据传送给DSPDSP接收到采样数据后进行相应的运算处理,最后将结果送到双口RAM,并发送信号给单片机,通知数据准备完毕。单片机可以接收外部命令,进行读取数据等一系列操作。



2.2 C6711DSK与双口RAM的接口电路设计
设计中选用了Cypress公司的CY7C135(4K×8位)双口RAM,实现C6711DSK与80C196KC之间的数据共享。该芯片具有2组独立的数据总线、地址总线和读取信号线,允许2个口同时访问存储器的任何地址。当二者要同时访问同一存储单元时,片内总线仲裁逻辑可解决这一问题,使DSP与80C196KC在同时运行时也能快速交换数据。为了广加强交换数据的可靠性,DSP向双口RAM传送数据时,同时向80C196KC发送信息和在双口RAM中置相应的标志位;同样,80C196KC向双口RAM传送数据时,同时向DSP发送信息和在双口RAM中清除相应的标志位。80C196KC与DSP具体接口电路如图2所示,图中74LVC4245是TI公司的总线电平变换芯片,用于解决80C196和DSP数据总线电平不匹配问题。



由于CY7C135为8位RAM而C6711DSK提供了32位数据线接口,需要将8位数据转为32位进行传输,因此选择了小端存储模式,将C6711DSK提供的外部扩展数据总线上的低8位DB_D0~DB_D7与CY7C1 35的DO~D7相连,异步读写使能信号DB_AOE,DB ARE分别与RAM的RW和OE相莲。
2.3 06711DSK与A/D芯片接口电路设计
考虑到电力系统采样的特点,A/D转换芯片采用了Maxim公司的MAXl25AEAX。MAXl25AEAX是14位高精度A/D芯片,内部集成1个14位、转换时间为3μs的逐次逼近型模拟/数字转换器,1个+2.5 V的内部电压基准,1个经过缓冲的电压基准输入端,1个内部频率为16MHz时钟,1组可以同时对4路输入信号进行同步采样的采样/保持电路
在使用MAXl25AEAX时要考虑其与C6711 DSP的电平匹配问题。MAXl25AEAX的输出为5 V电平,而C6711DSP的输人为3.3 V。如果将MAXl25AEAX的输出直接送到C5711的数据输入引脚上,则有可能超过C6711引脚的耐压值(3.3V),因此在接口电路设计中要考虑不同电平之间的转换。本系统使用SN74ALVCl64245DL作为电平转换器,MAXl25AEAX的输出DO~D13接入SN74ALVCl64245DL锁存后进行电平转换,再进入C6711的数据总线。SN74ALVCl64245DL采用3.3 V和5 V双电压供电,输出信号电平为3.3 V,可以接收5.5 V的输入信号。接口电路如图3所示。



图3所示仅为一片MAXl25AEAX与DSK接口电路。实际设计中,需用2片MAXl25AEAX完成对电压、电流的采样。另一片MAXl25AEAX与DSK的连接电路与图3相同。将MAXl25AEAX的RD、WR引脚分别接到C6711DSK的AOE、AWE引脚,由DSP控制数据的读写,2片MAXl25AEAX的片选信号由DSP的高位地址线进行译码得到。
2.4 地址分配
C6711DSK需要扩展1片双口RAM,并且能够选择MAXl25AEAX的数据通道进行数据的读写,需要在C6711 DSP的地址空间内分配相应的地址。设计时,用l片SN74LVCl 38AD译码器对C6711DSK扩展地址线的DB_A14、DB_A15、DB_CE2信号进行译码产生片选信号。2片MAXl25AEAX和双几RAM(CY7C135)的地址分别为A0000000H、A0004000H和A0008000H~A000CFFFH。
SN74LVCl38AD译码器是TI公司设计的一款低压译码器,运行电压为1.65~3.3 V;既可以被5 V电平驱动,也可以运行在3.3V电压环境下,特别适合3.3V/5V的混合电平电路应用,可以方便地与3.3V系统直接接口而无需任何转换。
2.5 C6711DSK的I/O信号扩展
系统中需要用到大量的I/O信号。由于C671DSK提供的I/O信号十分有限,因此设计上采用了1片80C196KC单片机作为协处理器,大部分的外部信息传送都由单片机处理。但是由于DSP单片机之间需要有握手信号,以及DSP控制A/D的读写控制信号,所以用到了C6711DSK的部分I/O信号线。由于C6711DSK没有提供专门的通用I/O线,因此将开发板上的外设控制信号线设定为通用I/O信号来使用。其中DB_CLKX1和DB_CLKRI作为DSP单片机的握手信号,负责DSP单片机之间传输数据的控制;DB_FSXl和DB_FSR1作为DSP读写A/D和双口RAM的方向控制信号;DB_EINT6和DB_EINT7为外部中断信号输入端,响应A/D转换芯片的读取数据中断。MAXl25AEAX采样完毕后中断输出引脚发出中断信号,通知DSP接收数据。DSP在接收到中断请求后判断中断引脚号,然后到相应的MAXl25AEAX读取数据。在A/D芯片MAXl25AEAX的中断输出引脚和C6711DSK中断输入引脚之间采用高速光耦HCPL0600进行光电隔离,同时实现5 V到3.3 V的电平转换。
2.6 软件设计
利用CCS开发系统软件程序,采用C语言和汇编语言混合编程方法,主程序用C语言、初始化和FFT用汇编语言编写。系统软件主要由A/D采样程序和数据处理程序组成。A/D采样程序主要负责接收存储MAXl25AEAX转化完的数据到外扩的数据存储器RAM中,并读取计算出的信号频率值。DSP数据处理和计算程序主要足对采样数据的分析和处理,进行FFT滤波。主程序结构框图如图4所示。



由锁相倍频电路的输出信号启动A/D转换。该信号由被采样信号经过锁相倍频后得到,与被采样信号保持同相位,并且信号频率为被采样信号的64倍(一周波64点采样)。A/D芯片MAXl25AEAx的采样信号转换完后,电路将触发中断信号INT6D给DSP。实时数据由DSP通过连续读脉冲将数据存到RAM。当数据采样达到64个点后,开始执行FFT单元。
在进行FFT算法开发时,由于C语言不能直接利用DSP特有的反序间接寻址等优越特性,FFT运算的实时性也不理想,因此编程中FFT算法选用汇编语肓来实现。



结语
利用TI公司的TMS320C6711DSK设汁的多路数据采集系统,应用在电力系统参数测量中,能够很好地满足采样要求;利用C671113SK作为主板,通过板上提供的扩展信号设计系统的方法,大大降低了开发难度,缩短了开发时间。

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