用TMS320C6711DSK構成的多通道數據採集系統

摘要 基於TI公司的TMS320C6711DSK開發一種多路高速數據採集系統，可用於電力系統中對三相電壓、三相電流進行的高速同步採樣。介紹TMS320C6711DSK的特點、使用方法，給出系統的設計方案，並著重討論TMS320C67llDSK在系統中的應用及其與子板接口電路的設計。
關鍵詞 TMS320C67llDSK 多通道數據採集 同步採樣 接口電路設計

引 言
隨著現代電子技術的發展，對於信號採集的要求越來越高，不但要求有較高的採樣精度和速度，而且在某些特定的應用中，還要考慮採樣的實時性。
TMS320C6711(簡稱為「C67ll」)DSP是TI公司在200O年推出的C61300系列中的新片種。應用C6711 DSP作為高速數據採集系統的主處理器，完全能夠滿足實時性的要求，對採集到的數據進行實時處理；但目前基於C6000系列的系統設計工作還存在著硬體設計困難及成本太高等諸多問題。若完全從底層開始架構系統設計方案，則工作量很大，困難較多，因此目前一個良好的折衷方案是在TMS320C6711DSK(簡稱為「C6711DSK」)平臺上進行開發。

1 TMS320C6711DSK介紹
1.1 TMS320C6711DSK的特點
C6711DSK開發平臺的主要特點有：
◇板上留有2個80腳的接口，方便系統擴展；
◇EMIF接口有兩種時鐘模式可以選擇，時鐘頻率分別為150MHz和100MHz；
◇100 MHz的16MB同步動態存儲器(SDRAM)；
◇直接提供1．8V和3．3 V直流電源；
◇JTAG仿真器，可支持並口或外接XDS510支持；
◇1個並行接口，主機可通過該並口訪問開發板上的存儲囂；
◇150 MHz主頻，可執行900 MFLOPS浮點操作；
◇128 KB的可編程Flash存儲器；
◇16位語音CODEC電路。
1．2 TMS320C6711DSK總線擴展
由於C6711DSK與外部子板之間所有的信導傳送都是通過板上預留的2個80腳插頭(J1和J2)。其中Jl集中了外部存儲器接口EMIF的接口信號(數據線、地址線、讀／寫控制等)，可以方便地進行存儲器擴展。J2提供了其他外圍器件的信號匯總，包括多通道串口、中斷、時鐘、計數器等。Jl和J2提供了大多數的板上內部總線信號，開發者可以方便地通過這個插頭共享C67llDSK的系統板，開發自己的應用系統。
J1的引腳分配如表1所列。J2主要是一些控制信號，包括一些外設的接口信號，如多通道緩衝串口、定時器、外部中斷等，如表2所列。利用J2提供的信號，可以方便地使用C6711 DSP的片內外設，其中多通道緩衝串口、定時器等信號既可以當作特殊功能外設信號使用，也可以被設定為通用I／O口，這在一定程度上彌補了C6711 DSP通用I／O口不足的缺點。如果擴展外部系統中所需的I／O口不多，則完全可以使用開發板自帶的I／O；但是如果所需I／O較多，則還要另加CPLD或單片機擴展I／O功能。
1．3 TMS320C6711DSK的電源和地
C6711DSK開發板上提供了12 V、-12 V、5 V、3．3 V電壓供外部擴展子板，可以直接使用。在使用時要注意其驅動能力。該開發板總共可以供給子板5 V／l A的功率，板上還帶有一一個外接電源連接器。驅動能力不足時，可以使用外接電源，但要注意外接電源和開發板上的供電電源不可同時使用。板上提供了系統統一地，使用時外接子板的GND信號和開發板上提供的地(VSS)直接相連即可。

由上述可以看出，C6711DSK提供了相當多的信號，方便系統的擴展，使用起來非常方便；唯一不足的是，系統提供的I／O口偏少，在某些應用場合下遠遠不夠，需要外接器件進行擴展。本設計的數據採集系統須用到較多的外部I／O，因此擴展了1片16位單片機80C196KC作為協處理器，擴展系統的I／O口；同時與外部進行通信，處理一一些外部請求。

2 基於C6711DSK數據採集系統設計
2．1 系統總體硬體設計
本高速同步數據採集系統主要針對電力系統的參數測量與故障檢測。在設計中充分考慮了電力系統中數據採樣的特點，A／D轉換晶片選用丁Maxim公司的MAXl25AEAX晶片。該晶片主要針對電力系統採樣中實時性強，需進行多路同步採樣的要求設計，能夠進行多通道高速同步採樣，最高採樣率為76 ksps(四通道)，完全能夠滿足電力系統採樣的要求。
設計中採用雙處理器架構，是為了充分利用DSP的數據處理能力強的特點。DSP主要負責對採集到的電網參數信息(三相電壓、三相電流)進行FFT和數字濾波等一系列運算，並計算出有功功率和無功功率，對電壓電流值進行高次諧波分析，給出幅度、相位以及三相電壓、電流的總畸變率。由於DSP的運算速度快，且在結構上特別適合進行FFT和實現數字濾波等功能，因此由1片DSP完成系統大量主要的運算，能夠滿足系統對於實時性的要求。2片處理器之間通過1片雙口RAM實現數據共享，DSP將運算結果放到雙口RAM的指定單元，並同時發送信號給單片機，通知數據發送完畢，單片機接收信號讀取數據。通過握手信號，可以保證2片處理器之間的數據無差錯傳輸；同時通過單片機系統還能接受鍵盤指令，發送數據顯示，並能與外部計算機進行通信。
系統硬體設計框圖如圖1所示，電壓、電流等模擬量首先通過變壓器轉換成-5～+5V的電壓，並在抗混疊濾波後接入MAXl25AEAX。2片MAXl25AEAX對6路信號進行同步採樣，每周波採樣64點。MAXl25AEAX將採樣數據傳送給DSP，DSP接收到採樣數據後進行相應的運算處理，最後將結果送到雙口RAM，並發送信號給單片機，通知數據準備完畢。單片機可以接收外部命令，進行讀取數據等一系列操作。

2．2 C6711DSK與雙口RAM的接口電路設計
設計中選用了Cypress公司的CY7C135(4K8位)雙口RAM，實現C6711DSK與80C196KC之間的數據共享。該晶片具有2組獨立的數據總線、地址總線和讀取信號線，允許2個口同時訪問存儲器的任何地址。當二者要同時訪問同一存儲單元時，片內總線仲裁邏輯可解決這一問題，使DSP與80C196KC在同時運行時也能快速交換數據。為了廣加強交換數據的可靠性，DSP向雙口RAM傳送數據時，同時向80C196KC發送信息和在雙口RAM中置相應的標誌位；同樣，80C196KC向雙口RAM傳送數據時，同時向DSP發送信息和在雙口RAM中清除相應的標誌位。80C196KC與DSP具體接口電路如圖2所示，圖中74LVC4245是TI公司的總線電平變換晶片，用於解決80C196和DSP數據總線電平不匹配問題。

由於CY7C135為8位RAM而C6711DSK提供了32位數據線接口，需要將8位數據轉為32位進行傳輸，因此選擇了小端存儲模式，將C6711DSK提供的外部擴展數據總線上的低8位DB_D0～DB_D7與CY7C1 35的DO～D7相連，異步讀寫使能信號DB_AOE，DB ARE分別與RAM的RW和OE相蓮。
2.3 06711DSK與A／D晶片接口電路設計
考慮到電力系統採樣的特點，A／D轉換晶片採用了Maxim公司的MAXl25AEAX。MAXl25AEAX是14位高精度A／D晶片，內部集成1個14位、轉換時間為3μs的逐次逼近型模擬／數字轉換器，1個+2．5 V的內部電壓基準，1個經過緩衝的電壓基準輸入端，1個內部頻率為16MHz時鐘，1組可以同時對4路輸入信號進行同步採樣的採樣／保持電路。
在使用MAXl25AEAX時要考慮其與C6711 DSP的電平匹配問題。MAXl25AEAX的輸出為5 V電平，而C6711DSP的輸人為3．3 V。如果將MAXl25AEAX的輸出直接送到C5711的數據輸入引腳上，則有可能超過C6711引腳的耐壓值(3．3V)，因此在接口電路設計中要考慮不同電平之間的轉換。本系統使用SN74ALVCl64245DL作為電平轉換器，MAXl25AEAX的輸出DO～D13接入SN74ALVCl64245DL鎖存後進行電平轉換，再進入C6711的數據總線。SN74ALVCl64245DL採用3．3 V和5 V雙電壓供電，輸出信號電平為3．3 V，可以接收5．5 V的輸入信號。接口電路如圖3所示。

圖3所示僅為一片MAXl25AEAX與DSK接口電路。實際設計中，需用2片MAXl25AEAX完成對電壓、電流的採樣。另一片MAXl25AEAX與DSK的連接電路與圖3相同。將MAXl25AEAX的RD、WR引腳分別接到C6711DSK的AOE、AWE引腳，由DSP控制數據的讀寫，2片MAXl25AEAX的片選信號由DSP的高位地址線進行解碼得到。
2．4 地址分配
C6711DSK需要擴展1片雙口RAM，並且能夠選擇MAXl25AEAX的數據通道進行數據的讀寫，需要在C6711 DSP的地址空間內分配相應的地址。設計時，用l片SN74LVCl 38AD解碼器對C6711DSK擴展地址線的DB_A14、DB_A15、DB_CE2信號進行解碼產生片選信號。2片MAXl25AEAX和雙幾RAM(CY7C135)的地址分別為A0000000H、A0004000H和A0008000H～A000CFFFH。
SN74LVCl38AD解碼器是TI公司設計的一款低壓解碼器，運行電壓為1．65～3．3 V；既可以被5 V電平驅動，也可以運行在3．3V電壓環境下，特別適合3．3V／5V的混合電平電路應用，可以方便地與3．3V系統直接接口而無需任何轉換。
2.5 C6711DSK的I／O信號擴展
系統中需要用到大量的I／O信號。由於C671DSK提供的I／O信號十分有限，因此設計上採用了1片80C196KC單片機作為協處理器，大部分的外部信息傳送都由單片機處理。但是由於DSP和單片機之間需要有握手信號，以及DSP控制A／D的讀寫控制信號，所以用到了C6711DSK的部分I／O信號線。由於C6711DSK沒有提供專門的通用I／O線，因此將開發板上的外設控制信號線設定為通用I/O信號來使用。其中DB_CLKX1和DB_CLKRI作為DSP與單片機的握手信號，負責DSP與單片機之間傳輸數據的控制；DB_FSXl和DB_FSR1作為DSP讀寫A／D和雙口RAM的方向控制信號；DB_EINT6和DB_EINT7為外部中斷信號輸入端，響應A／D轉換晶片的讀取數據中斷。MAXl25AEAX採樣完畢後中斷輸出引腳發出中斷信號，通知DSP接收數據。DSP在接收到中斷請求後判斷中斷引腳號，然後到相應的MAXl25AEAX讀取數據。在A／D晶片MAXl25AEAX的中斷輸出引腳和C6711DSK中斷輸入引腳之間採用高速光耦HCPL0600進行光電隔離，同時實現5 V到3．3 V的電平轉換。
2.6 軟體設計
利用CCS開發系統軟體程序，採用C語言和彙編語言混合編程方法，主程序用C語言、初始化和FFT用彙編語言編寫。系統軟體主要由A／D採樣程序和數據處理程序組成。A／D採樣程序主要負責接收存儲MAXl25AEAX轉化完的數據到外擴的數據存儲器RAM中，並讀取計算出的信號頻率值。DSP數據處理和計算程序主要足對採樣數據的分析和處理，進行FFT濾波。主程序結構框圖如圖4所示。

由鎖相倍頻電路的輸出信號啟動A／D轉換。該信號由被採樣信號經過鎖相倍頻後得到，與被採樣信號保持同相位，並且信號頻率為被採樣信號的64倍(一周波64點採樣)。A／D晶片MAXl25AEAx的採樣信號轉換完後，電路將觸發中斷信號INT6D給DSP。實時數據由DSP通過連續讀脈衝將數據存到RAM。當數據採樣達到64個點後，開始執行FFT單元。
在進行FFT算法開發時，由於C語言不能直接利用DSP特有的反序間接尋址等優越特性，FFT運算的實時性也不理想，因此編程中FFT算法選用彙編語肓來實現。

結語
利用TI公司的TMS320C6711DSK設汁的多路數據採集系統，應用在電力系統參數測量中，能夠很好地滿足採樣要求；利用C671113SK作為主板，通過板上提供的擴展信號設計系統的方法，大大降低了開發難度，縮短了開發時間。