基于TMS320VC5410数据采集系统的硬件设计

摘　要:提出了一个基于DSPTMS320VC5410的数据采集系统的设计,给出了该系统的总体设计方案和具体硬件电路,包括系统手动复位电路的设计、CPLD在DSP数据采集系统中的控制分析、DSP与AˆD芯片的连接等.实验表明:该系统结构清晰；电路简洁；易于实现。

关键词:数据采集;数字信号处理;复杂可编程逻辑器件

DSP(数字信号处理器)是专门用于数字信号处理的微处理器,以数字计算的方法对信号进行处理,具有运算速度快、使用灵活、计算精确、抗干扰能力强、体积小、可靠性高等优点,能够满足对信号的快速、精确、实时处理及控制的要求.目前,DSP已经广泛应用于高速自动化、图像处理、通讯技术、语音处理、模式识别、网络设备、医疗仪器、仪器仪表和家电等各个领域.本文详细地介绍了一种基于DSPTMS320VC5410的多通道数据采集系统的硬件电路,该电路具有设计灵活、结构清晰、可靠性好、有一定的通用性等特点。

　系统组成

系统主要包括实现模/数转换的A/D模块、掉电时存放程序的Flash模块、完成时序控制的CPLD模块、为DSP提供时钟及电源的外部晶振和电源与复位模块、实现程序下载的JTAG接口模块等几个部分.系统结构框图如图1所示。

DSP芯片的选型

DSP是整个数据采集系统的核心部分,通过对其编程可实现对A/D模块的控制及与PC机的通讯(HPI、串口及扩展的PCI等)。该系统选用TI公司的定点型DSPTMS320VC5410,其特点如下:操作速率可达100MI/s(百万条指令每秒);具有先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线);40bit算术逻辑单元(ALU);可进行非流水线式单周期MAC运算;内置64KRAM、16KROM;带有软件可编程等待状态发生器、锁相环PLL时钟发生器;一个8位并行主机接口、3个多通道缓冲串行口等。5410是采用3.3V和2.5V双电源供电,其中I/O采用3.3V电源供电,芯片内核采用2.5V电源供电。

　A/D芯片

在DSP的外围电路中,A/D转换器是一个十分重要的器件。这里选择TI公司专门为DSP配套制作的一种8通道10位并行A/D转换器TLV1578.它的主要特点有:具有与DSP和微控制器兼容的并行接口;2.7～5.5V单电源供电,低功耗;二进制补码输出;软件或硬件启动转换、转换速度可达1.25Mbit/s;内置10MHz的振荡器。

可见,由于TLV1578具有与DSP兼容的并行接口、内置振荡器等特点,因此使用TLV1578时,不需过多的外围器件就可以方便地实现与5410连接。

　Flash芯片

Flash用于存放引导程序段和用户代码,由DSP软件编程来写入。我们选用AM29LV200BX。它是AMD公司容量为2Mbit的Flash,支持字节或字操作模式;可通过特定的命令字序列可对Flash直接进行擦除和读写,不需外加高电压,使用方便;此外它是单电源(2.7～3.6V)供电,因此在系统设计中不需要考虑与DSP连接时的电源匹配问题,电路设计简单。

　CPLD芯片

CPLD主要用于整个系统的时序和逻辑控制,同时可以大大简化硬件电路设计,增加系统的灵活性和扩展性。系统中采用的是Lattice公司的ispMACH4A系列中的M4A3-128/64(167MHz、128个宏单元、64个I/O单元、支持3.3V单电源供电)。地址译码器、逻辑控制部分等都可以集成在其中。

　硬件电路设计

　电源、复位、晶振电路

5410是采用双电源供电,3.3V的I/O供电和2.5V的内核供电。然而在实际使用中,常用的是5V电源,所以需采用电源转换芯片,这里选用TPS7325和TPS7333(它们是TI公司为配合DSP而设计的电源转换芯片).其中,TPS7325是将5V电压转换成2.5V的内核供电电压,电路如图2所示,具体参数设计参照文献。

TPS7333不仅可提供I/O口的供电电压,还可以同时提供系统的复位信号。一般DSP系统设计中,复位方式仅采用上电复位,这样很不方便使用,程序一旦出错就必须断电重新启动。因此,该系统中我们同时设计了手动复位,巧妙利用复位芯片MAX811的200Ls的延时,产生系统的复位信号。上电复位信号RS1(低电平有效)和手动复位信号RS2(低电平有效)经过一个与门电路SN74LV1就产生了系统的RESET信号,如图3所示。

5410的时钟引脚为X1和X2/CLKIN,可以支持无源晶振和有源晶振两种方式,本系统采用的是有源晶振,对于晶振频率的大小没有特别的要求,此处选用10MHz。此外,DSP有一组引脚CLKMD1～CLKMD3,可以用来调整DSP的工作频率,就可以得到20MHz工作频率。

CPLD接口电路

整个CPLD模块实际上就是一片M4A32128/64芯片,其外部时钟由DSP的CLOCKOUT引脚提供,它读取并分析从DSP端口过来的各种状态信号,实现对A/D、Flash芯片的控制,从而实现DSP与A/D、Flash芯片之间的通讯。

当DSP需要对Flash中的数据进行读写时,CPLD将DSP的MSTRB和PS信号组合成Flash的片选信号PCS、读信号PRD或写信号PWE;当DSP需要对A/D芯片进行操作时,CPLD将DSP的IOSTRB信号组合成A/D芯片的读信号ADRD或写信号ADWE,同时将DSP的IS信号和地址总线结合第4位～第2位译码产生A/D芯片的片选信号ADCS及片内寄存器的地址信号ADA0和ADA1.5410与M4A3-128/64接口如图4所示。

DSP与A/D芯片及Flash的接口

由于我们选择的A/D芯片TLV1578和Flash芯片AM29LV200BX都支持3.3V的单电源供电,同时DSP的I/O电压又是3.3V,因此它们的数据、地址线都是可以直接与DSP相连,中间不需添加电平转换芯片.具体电路如图5、6所示,图中的A0～A16和D0～D15为TMS320VC5410相应的地址、数据线.Flash的BYTE接高电平表示采用字操作模式,这样可以减少数据读取的时间;各控制信号由CPLD提供.A/D芯片采用内置振荡器;转换结束引脚INT/EOC引脚直接连接DSP的中断输入信号INT0引脚,可采用中断方式读取数据;A/D芯片的寄存器地址信号和各控制信号同样由CPLD提供。

结语

本文给出了一种基于DSPTMS320C5410数据采集系统的设计方案,较详细地介绍了硬件部分设计,电路简单,结构清晰。同时,DSP的使用,使得该采集系统具有体积小、功耗低、携带方便、处理实时等特点,可用于便携式产品开发的应用.实验表明:该系统是正确可行的。此外,该系统为对DSP进行其它方面的扩展提供了设计思路和方法。