基于TMS320VC5416的多路加速度采集系统设计

摘 要：本文介绍了一种基于TMS320VC5416的多路加速度采集与处理系统的设计方法。该系统采用AD73360作为数据采集前端，通过DSP的McBSP和AD73360级联，可实现多路模拟加速度信号的实时采集和处理。

关键词：TMS320VC5416；AD73360；加速度；数据处理

引言

多路加速度采集系统在平台式惯导系统中起着至关重要的作用。在早期的产品中，控制和处理核心都采用冯·诺衣曼总线结构的微处理器，由于其指令执行速度较慢，设计一个高性能的实时采集与处理系统显得比较困难。本文介绍了一种采用TMS320V C5416(DSP)作为处理器，用十六位高精度AD73360作为ADC的多路加速度采集系统设计方法。

在以DSP作为控制核心的多路加速度采集系统中，不但要对大动态范围的模拟加速度信号(±15V)进行高精度A/D转换，而且要实时完成线性修正、数字滤波等处理任务。既要接收主控单片机的命令，又要完成多路加速度数据采集：将信号取样、直流偏置、反混叠滤波后数字化，经过实时处理后，将离散加速度信息送到主控单片机。

图1 系统硬件原理图

图2 加速度信号预处理电路

图3 AD73360与TMS320VC5416接口电路图

图4 系统软件流程图

图5 试验采集到的数据

系统硬件设计

系统由A/D转换电路、DSP及其外围电路和通信接口电路组成，如图1所示。A/D转换部分完成多路加速度表模拟信号的取样、直流偏置、抗混叠滤波和A/D转换；DSP及其外围电路包括系统电源、时钟和仿真接口等；通信部分负责接收主控单片机发出的指令、向主控单片机实时发送数据、向其它分系统提供惯性信息。

A/D转换电路设计

AD73360简介

AD73360是具有6个并行通道、内部增益和采样率可以编程控制、信噪比77dB、通道串音-83dB、单极性的同步ADC。内部有基准电压源，可为外部提供直流偏置电压，该电压可通过编程设定在1.25V或者2.5V。该ADC提供了便于和DSP连接的串行输出接口。

AD73360工作模式控制起来非常方便，当器件加电以后，DSP通过XF或者写I/O 的方式将AD73360的片选SE引脚置为高电平，此时AD73360处于上电复位状态，输出同步帧信号SDOFS，当采用图3的接法时，可以通过DSP的McBSP串口向AD73360写入控制字。AD73360由8个寄存器来控制，控制字字长为16位。

在用AD73360进行电路设计时，可直接用单极性输入方式，也可采取差动输入方式将单片AD73360接成三通道转换器。不过在用AD73360器件内部参考电压对模拟输入前端进行直流偏置时，最好采用高输入阻抗的运算放大器进行隔离。

加速度信号预处理电路设计

加速度信号预处理电路主要对输入的多路加速度信号进行取样、直流偏置和抗混叠滤波处理，具体电路如图2所示。

在直流偏置之前，首先采用精密电阻网络R1和R2对加速度信号进行取样。为了尽可能提高A/D转换精度，减小电路板的体积，系统使用AD73360片内参考电压REFOUT作直流偏置。在送到运算放大器OP2进行直流偏置之前，采用运算放大器OP1进行隔离，以确保ADC的REFOUT端子没有输入、输出电流，从而保证ADC片内精密电压源电压恒定和较高的A/D转换精度。最后，经R5和C1组成RC网络，抗混迭滤波后送到AD73360进行A/D转换。

AD73360与TMS320VC5416的

接口设计

AD73360片内集成有同步串口SPI，通过和DSP的McBSP简单连接便可组成一个多通道同步数据采集系统。AD73360的复位信号/RESET、片选信号SE分别由DSP器件的/RESET和XF引脚通过一个上升沿双D触发器提供，这样可以确保AD73360的复位信号、片选信号和DMCLK保持同步，以免发生读写错误。McBSP的输入/输出时钟均由AD73360提供，即DSP的同步缓冲串口工作于外部时钟模式。通过多片AD73360级联，最多可以实现48路同步采集系统(见图3)。系统在收到主控单片机的启动命令后，将XF置为高电平，AD73360处于上电复位状态，DSP将控制字依顺序写到所有AD73360中，最后启动A/D转换，系统开始对加速度信号进行采集。

DSP外围电路和通信接口

电路设计

DSP外围电路包括时钟、电源、复位以及片外程序存储器电路。系统采用外部时钟模式，电源和复位电路采用TI公司专用芯片TPS767D301和TPS3707-33。由于TMS320VC5416无片内Flash，因此系统采用AM29LV200B作为程序存储器，此芯片是16位Flash存储器。系统上电后，DSP片内引导程序将AM29LV200B中的工作程序加载到片内SRAM,提高程序执行效率。

系统通信电路包括并行通信和串行通信两部分，由于主控单片机采用5V逻辑，故并行通信的握手信号和数据线均需采用SN74LV245B进行电平隔离，同时数据总线需用SN74LV373进行锁存。并行通信的握手信号若采用I/O读写的方式实现，数据传输效率会降低许多，所以系统将McBSP2定义为通用I/O口，用McBSP2来和主控单片机握手，从而减少硬件开销，同时提高数据传输速度。TMS320VC5416片内无UART端口，要实现和主控单片机的串行数据通信，本系统采用ST16C650，通过I/O读写访问ST16C650，从而实现DSP和主控单片机之间的串行通信。

系统软件设计

DSP程序可以直接用汇编语言编写，也可以用C语言开发，两者各有特点。为了编写出模块性强、执行效率高的DSP程序，该系统在开发过程中采用汇编语言和C语言相结合的方式进行软件开发。用C语言编写程序主体，用汇编语言进行硬件接口程序编写。

系统软件执行过程如图4所示，其中左图为主程序流程，右图为中断程序流程。系统加电后，首先对McBSP、AD73360、DMA和串/并通信接口等进行初始化，然后等待主控单片机的启动命令，接收到启动命令后开始进行多路加速度信号的采集和处理，并将经过线性修正和滤波的加速度数据实时发送给主控单片机。

中断响应程序包括定时器中断程序、DMA中断程序和数据传输请求中断程序。当系统打开中断后，一旦收到启动命令，便启动AD73360，同时定时器开始计时；AD73360将转换后的离散加速度数据经McBSP0直接送到DMA,并分类装到各个RAM区间，当DMA指定的数据块缓冲区充满以后，DSP响应DMA中断，对加速度值进行线性修正和数字滤波；若主控计算机数据请求中断产生，DSP通过并口、串口向主控计算机发送加速度值和空间位置信息；若定时器产生中断，DSP将开关变量T置为1。当中断返回后，继续进行加速度数据处理，并判断开关变量T的状态，决定是否给出控制信号。

试验结果

因为在地面模拟三维加速度输入较为困难，在数据采集试验中，选用三路100Hz正弦信号作为模拟输入，用1kHz采样率进行采样。将主控计算机接收到的离散数据重绘，结果见图5。采集系统幅度和相位一致性较好，需要在实际应用中进一步检验其采集精度。

结语

与以往的加速度测量系统相比，该采集系统应用了高性能DSP作为处理器， DSP芯片主频能达到160MHz，机器周期仅6ns，满足对6路加速度信号进行采集和实时处理的要求，同时系统可以采用更高的采样率，从而提高飞行器空间位置解算精度。但由于选用了单极性ADC，不得不采用运算放大器，所以电路较复杂。

利用AD73360和TMS320V C5416进行加速度采集系统设计需注意以下几个问题：由于DSP系统具有低功耗、双电源和高速度性能，在设计时需考虑芯片引脚的外接方式和工艺特性； AD73360的模拟电源和数字电源要隔离；DSP和AD73360之间的接口在布线时需注意抗干扰，必要时可在串行数据线上串接10左右的电阻；在用AD73360提供的参考电压作直流偏置时，最好先用运算放大器隔离。■

参考文献

1汪安民．TMS320C54xx DSP 实用技术．清华大学出版社，2002

2 朱铭锆，赵勇，甘泉．DSP应用系统设计. 电子工业出版社, 2002

3 TMS320C54x DSP Reference Set，Volume 1: CPU and Peripherals．TI Company, 2001