基于TMS320F2812的测控硬件系统设计.docx

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基于TMS320F2812的测控硬件系统设计

毕业设计说明书

基于TMS320F2812的

测控系统硬件设计

学生姓名：

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2008年06月

基于TMS320F2812的测控系统硬件设计

摘要

随着大规模集成技术的发展，数字信号处理器（DSP）在功能、处理速度和处理能力方面都取得了划时代的突破，并广泛应用在数据通信、图像处理、语音处理、自动控制等领域中。

本文首先分析了嵌入式测控系统的系统结构和特点，结合嵌入式测控系统的发展要求分析了基于DSP的嵌入式测控系统的应用需求，并在此基础上提出了基于DSP的嵌入式测控系统结构，设计了基于TMS320F2812测控系统的硬件系统，该测控系统能够为测试产品提供所需的模拟量（D/A），为测试产品提供所需的数字量（A/D），为测试产品提供所需的429串行信号，测试系统可通过标准EPP并口与上位机相联，通过上位机可对该测试及产品进行检测，并有输出显示面板及按键输入功能，整个系统的逻辑控制采用CPLD来实现，便于系统的升级。

然后，设计出了该系统的各个组成模块和系统软件。

并利用实验室实验的手段实现了部分系统的功能，并进行了电路的调试，证明了该系统的可行性。

关键字：

DSP，嵌入式测控系统，CPLD，EPP通信，429串行信号

BasedontheTMS320F2812monitoringsystem

hardwaredesign

Abstrct

Withthedevelopmentoflarge-scaleintegratedtechnology,digitalsignalprocessor（DSP）intermsoffunctionality,processingspeedandprocessingpowerhavemadeanepoch-makingbreakthroughandwidelyusedindatacommunications,imageprocessing,speechprocessing,suchasinthefieldofautomaticcontrol.

Thisdissertationanalyzedtheembeddedmonitoringandcontrolsystemstructureandcharacteristicsofthesystem,withembeddedmonitoringandcontrolsystemrequirementsforthedevelopmentofDSP-basedembeddedmonitoringandcontrolsystemofdemand,andonthisbasisbytheDSP-basedembeddedmonitoringandcontrolsystemarchitectureDesignedmonitoringsystembasedonTMS320F2812thehardwaresystem,themicro-monitoringsystemfortestingproductstoprovidethenecessaryanalog（D/A）,totestproductsfordigital（A/D）,testsystemthroughstandardEPPparallelportassociatedwiththePCthroughthePCcantestandThe429serialsignalalsocantestproducts,andtheoutputdisplaypanelandthekeyinput,thelogiccontrolsystemasawholeCPLDusedtoachieve,forsystemupgrades.Then,thedesignofthevariouscomponentsofthesystemmodulesandsystemsoftware.Anduseoflaboratorymeansofverificationoftheentiresystemrepeatability,andagoodtimetothestabilityofthebasicfunctionsofthenormaloperation.Provethefeasibilityofthesystem.

Keywords:

embeddedmonitoringandcontrolsystem,CPLD,EPPcommunications,429serialsignal

1绪论

1.1引言

20世纪70年代以来，计算机、微电子、半导体、智能控制等技术迅猛发展。

在这些技术的推动下，同时也是为适应现代化工农业生产甚至战争的新需求，测控技术也在较短的时间内得到了十分广泛的应用和充分的发展。

嵌入式计算机应用是当今计算机技术发展的主流方向之一，主要应用在测控领域。

嵌入式系统的目的是提供一个以多任务和网络化为核心、易于开发的复杂数字系统。

从数字技术和信息技术的角度看，嵌入式系统已成为现代信息网络技术应用的基础，己成为现代工控领域的基本技术。

随着大规模集成技术的发展，数字信号处理器（DSP）在功能、处理速度和处理能力方面都取得了划时代的突破，并广泛应用在数据通信、语音信号处理、自动控制等领域中，展示了其独特的应用潜力。

DSP嵌入式系统是把DSP系统嵌入到应用电子系统中的一种通用系统。

这种系统具有DSP系统的所有技术特征，同时还具有应用目标所需要的技术特征。

DSP嵌入式系统不再是一个专用的DSP系统，而是一个完整的、具有多任务和实时操作系统的计算机系统，以这个计算机系统为基础，可以十分方便地开发出用户所需要的应用系统。

随着DSP技术的发展，TI公司相继推出了增强型的281x系列处理器，其中的TMS320F2812是一款采用3.3V供电的低功耗高速数字信号处理器，具有丰富的片上外设模块，并具有软件加密功能。

它一经推出，便以其优越的性能特点以及同类产品所无法比拟的功能成为测控系统设计的首选器件，是目前业界最具有竞争力的专用控制器。

为此，本设计采用TMS320F2812作为核心控制器来构造基于DSP的嵌入式测控系统，针对测控系统的硬件设计，通过对外加芯片电路的应用、调试，使其能以更高的精度，更快的速度输出更准确的结果，并适宜于同其他数字化设备连接，便于下载和调试，以及扩展和升级。

1.2基于DSP的测控系统简介

“测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而测控仪器和系统则是人类实现这两项任务的工具和手段。

按照仪器或系统担任的任务不同，测控仪器或系统可分为三大类:

单纯以测试或检验为目的的“测试仪器或系统”；单纯以控制为目的的“控制系统”以及测量控制为一体的“测控系统”[1]。

随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、甚至A/D转换器等。

人们把这种超大规模集成电路芯片称作“单片微控制器”（SINGLECHIPMICROCONTROLLER）。

单片微控制器的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革，以单片微控制器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以很容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的“智能化测量控制系统”[2]。

1.2.1智能测控系统的特点

智能测控系统中由于引入了微型计算机，中央处理单元具有四则运算和逻辑运算，控制，通讯等功能，所以与传统的电子仪器相比较，智能测控系统具有以下几个主要特点:

a）实现测试自动化。

由于系统有信息存储、判断与处理功能，所以能控制开关通断、量程自动切换、系统自动校准、故障自动诊断、结果自动输出等，使整个测试系统自动完成。

b）提高测试精度。

测控系统引入了微型计算机以后，可以进行数字滤波，采用软件对温度、气压等环境因素引起的误差进行补偿，对传感器、电子器件的非线性进行校正，通过自动校准来消除系统误差，从而可以将系统的测量精度大大提高。

c）实现多通道测量。

智能测控系统可以配备多个通道，具有同时测量多种参数或多个同类参数的功能。

对于多路信号，系统能进行高速扫描采样，宏观上看，测量过程基本上是同时进行的。

d）系统功能强。

以微控制器为核心的智能测控系统具有很强的功能，它通过软件可以满足各种需求，如选择功能、信息处理与分析功能、自校准功能、自诊断功能、显示与记录功能等。

e）数据通讯组成复杂控制系统:

智能测控系统可以按照串行总线（如RS232总线接口、USB总线接口）或并行总线（如:

EPP标准、IEC625标准）规范，与其他智能测控系统或计算机或常规数字仪表方便的实现互联，可完成更复杂的测控任务。

f）掉电保护功能:

智能测控系统内装有后备电池和电源自动切换电路，或采用EEPROM，存储重要数据[3]。

1.2.2基于DSP的测控系统构成简介

基于DSP的测控系统可能由一个DSP及外围总线组成，也可能由多个DSP组成。

DSP芯片系统的主要任务是将前向通道输入的信号按照算法进行处理，然后将输出的结果以数据流的形式输出给反向通道。

反向通道由D/A、f/V、平滑滤波器及功率放大等部分组成。

另外，大多数系统还有通信（串行通信、并行通信）、人机接口等部分，系统还可以通过PCI，ISA等总线插在计算机上工作，或通过3xbus总线等组成紧凑型的控制系统，甚至还可以通过现场总线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。

整个系统的协调运行主要依靠正确的逻辑控制电路设计，基本构成如下图1-1所示。

图1-1基于DSP的测控系统基本构成

上面给出的DSP测控系统是一个相对完备的DSP测控系统，但并不是所有的DSP测控系统都必须具有上述系统中的所有部件，如频谱分析中输出的不是连续的波形而是离散的频谱等，而在很多场合输入信号本身可能已经是数字信号，因此根本不必有前向通道环节[5]。

1.3国内外的研究和发展现状

1.3.1我国的DSP测控系统技术现状

随着我国信息产业的发展，近年来我国的测控系统学科发展较快。

DSP处理器己经在我国的数字通信、信号处理、雷达、电子对抗、图像处理等方面得到了广泛的应用，为科学技术和国民经济建设创造了很大价值。

我国的科研人员通过对先进的DSP芯片的研究，已经研制出一些高性能处理设备的解决方案，并且在板级PCB设计方面，也取得了宝贵的设计经验。

以我国某电子技术研究所研制的DPS雷达数字信号处理通用模块为例，它使用了6片ADSPZ1060和大规模可编程器件构成通用处理模块。

通过信号处理算法并行设计、系统多数据流设计、处理任务分配调度程序设计，实现高速实时雷达数字信号处理。

1.3.2近年来DSP测控系统技术发展动向

国外的商业化DSP测控系统一直保持着快速的发展势头。

欧美等科技大国保持着国际领先的地位。

例如美国DSPreseareh公司，pentek公司等，他们很多己经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈。

我们从国际知名DSP技术公司发布的产品中就可以了解一些当今世界先进的测控系统的情况。

以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300MHz的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的处理能力，同时集成了8片32MB的SDARM，数据吞吐600MB/。

1.4本设计要研究或解决的问题

在充分掌握TMS320F2812内部结构、工作机理和功能特点的基础上，按照系统既能完成多种任务的目的，充分利用TMS320F2812内置的功能模块来设计控制电路，具体包括：

a）测试系统的一路A/D变换器的字长12位、输入范围-10V到+10V，满量程转换偏差±0.03V，共16路。

b）测试系统的一路D/A变换器的字长12位、输出范围-10V到+10V，满量程转换偏差±0.03V，共16路。

c）测试设备串行口按ARINC-429规范设计，输出信号幅度±5V，0V,频率50Kbit/s±5%，串行口通道要加光电隔离器。

d）测试系统可通过标准EPP并口与上位机相联，通过上位机可对该测试及产品进行检测。

e）测试系统能过实现按键输入和结果显示的功能。

1.5论文章节分配

第一章绪论：

回顾基于DSP的测控系统的发展情况，介绍了测控系统和基于DSP的测控系统的基本组成，其中对基于DSP的测控系统的国内外发展趋势做了系统的说明。

第二章基于DSP测控系统的硬件设计：

详细介绍基于DSP测控系统的硬件设计及时序设计。

第三章基于DSP测控系统的通信接口：

对本设计应用到的各种通信方式作了详尽的介绍，并设计了硬件电路和时序逻辑。

第四章基于DSP测控系统的软件设计：

首先介绍了DSP的软件设计方法，然后对于各个模块，详细阐述了软件的设计，并给出了程序流程图。

第五章AD转换模块的实验研究：

结合实际硬件和软件开发环境，进行了AD转换模块的实验，并对实验做了总结，指出了提高精度的方法。

第六章总结与展望：

整篇论文的总结。

2基于DSP的测控系统的硬件设计

该系统是一个简洁的、综合性较强的测控系统平台，它包括了丰富的硬件和软件资源，能够满足设计任务的需要。

此外，该系统还具有良好的通用性和开放性，在此基础上可以方便地进行功能扩展和二次开发。

另外，由于本设计中所涉及的通信方式比较多，所以在第三章单列一章来介绍。

2.1该测控系统电路的总体设计

考虑到本设计应解决的问题，确定测控系统的总体设计框图如图2-1所示。

图2-1总体设计框图

2.1.1硬件电路总体设计概述

经过反复的比较和论证，得出本设计中的硬件电路由六部分组成，硬件电路总体设计的构成框图如下图2-2所示。

图2-2硬件电路的总体构成框图

2.1.2本测控系统的中央处理器简介

在测控系统中，中央处理器有着举足轻重的作用，它负责系统的启动，协调外围各个模块电路的工作，并将信息反馈给上位机等，因此把它放在总体设计中加以介绍。

在本设计中，按照设计任务书的要求，中央处理器DSP芯片选用TI公司针对于控制领域应用推出的TMS320F2812。

TMS320F2812是基于TMS320C2000内核的定点数字信号处理器。

器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。

同时代码和指令与F24x系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。

与F24x系列数字信号处理器相比，F28l2系列数字信号处理器提高了运算的精度（32位）和系统的处理能力（达到150MIPS）。

该系列数字信号处理器还集成了128KB的Flash存储器，4KB的引导ROM，数学运算表以及2KB的OTPROM，从而大大改善了应用的灵活性。

128位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。

两个事件管理模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能。

16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样[6]。

其功能框图如下图2-3所示：

图2-3TMS320F2812的功能框图

2.2供电模块电路设计

本系统涉及到的电源比较多，包括429总线接口芯片、D/A转换器以及A/D转换信号调理部分的+15V、-15V，LCD和D/A转换器的+5V，还有为DSP芯片供电的+3.3V、+1.8V等，所以专门设计了供电模块电路。

2.2.1供电电路芯片的选择

TMS320F2812芯片要求双电源（1.8V和3.3V）为CPU、Flash、ROM、ADC和I/O接口供电。

当上电时，为了保证各模块的正确复位，F2812供电需要满足一定的时序，先给所有+3.3V的电源引脚（VDDIO等）上电，再通过1.8V（VDD等）的芯片内核电源。

并且当VDDIO的电压上升到2.5V时，VDD才上升达到0.3V这样才能保证各个模块上电时的正确复位。

掉电时，在VDD下降到1.5V之前，系统复位，这样才能保证在VDD、VDDIO掉电之前片内Flash模块正确复位[7]。

2.2.2供电模块电路的具体设计

+15V、-15V、+5V由市电经过整流、滤波、再经稳压芯片稳压后得到，+15V、-15V、+5V电压产生电路如图2-4所示。

+3.3V、+1.8V电压由+5V电压经过TI公司专用的TPS767D318来实现，并可以满足F2812的上电及掉电顺序，+3.3V、+1.8V电压产生电路如图2-5所示。

图2-4+15V、-15V、+5V电压产生电路

图2-5+3.3V、+1.8V电压产生电路

2.3存储器接口电路设计

本设计采用的所采用的TMS320F2812内部含有最多达128K*16位的Flash存储器;最多达128K*16位的ROM；1K*l6位的OTPROM。

128K的Flash对于绝大多数的用户来说已经完全够用，所以本设计无需对程序存储器进行扩展。

而对于测控系统而言，数据存储空间却远远不够用，所以需要对数据存储空间进行扩展。

2.3.1存储器芯片的选择

选取RAM芯片时需要考虑的最重要的问题是存储器的存取速度是否与DSP的读写速度相匹配。

本系统中，F2812工作时CPUCLK是20MHz，单指令周期是50ns。

考虑到实际电路中芯片相互连接及片选需要用CPLD构成一些门电路的功能，而一级门电路的最大延时在6ns左右，所以在选取RAM时，选用读写周期为40ns的存储器是比较合适的。

在本课题中选取ISSI公司的61LV25616AL芯片作为外扩存储器。

61LV25616系列芯片的读写周期在5ns~45ns之间，根据上述分析同时考虑价格因素和系统的扩展升级后，系统确定使用61LV25616AL（读写周期是10-12ns），该芯片是256K*16位的SRAM，工作电压是3.3V，而且数据宽度是16位，可以和DSP芯片直接相连。

2.3.2存储器和DSP接口电路的具体设计

由于F2812采用统一编制的方式，所以外扩的存储器既可以作为数据存储器也可以作为程序存储器，而且由上面的分析可知，61LV25616AL与DSP芯片的连接非常简单，给电路的设计带来很多方便。

芯片的片选信号由高位地址信号XA18、XA17、XA16构成,占用外设区的空间2（Zone2），只有三者在101的状态时，且XZCS2为低时，才使能SRAM。

仿真时序图如图2-6所示，实际电路图如图2-7所示：

图2-6存储器部分仿真时序图

图2-7存储器模块电路图

2.4A/D转换模块电路设计

对于一个基于DSP的测控系统，A/D转换电路主要完成对模拟信号的数据采集，数据采集系统各器件的定时关系是严格的，以确保系统精度，DSP中的定时电路和逻辑控制电路按照各个器件的工作次序产生时序信号和依据时序信号产生逻辑控制信号，最后完成数据的预处理和存储。

对于本系统，采用片内自带的AD转换器，上述过程都在F2812处理器内部完成。

2.4.1基于F2812片内A/D的主要特点

TMS320F2812ADC模块是一个12位带流水线的模数转换器（ADC），模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关、采样/保持电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。

模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接口以及同其他片上模块的接口[8]。

模数转换模块ADC有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。

尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器。

两个8通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器（MUX）选择8通道中的任何一个通道。

在级联模式下，自动排序器将变成16通道。

对于每个通道而言，一旦ADC转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器（ADCRESULT）中[9]。

2.4.2A/D转换模块电路的具体设计

由于课题给的模拟电压范围是-10V~+10V，而F2812片内A/D的输入范围是0~3V，所以需要进行输入信号的调理。

用两个高精度运放OP07结合简单元件，将输入信号调理为0~2.5V的输入范围，第一个运放将输入模拟信号调理到-5V~+5V范围内，第二个运放用标准的+5V电压信号和模拟信号接成差动方式，再将电压值变为原来的1/4，使最终输入的电压值在0~2.5V之间，可直接连接F2812的片内A/D，信号调理电路如图2-8所示。

在应用片内A/D进行设计时，为了保证精度，需要选用高精度的元件，还要注意模拟地和数字地的隔离，A/D转换部分的电路图如图2-9所示。

图2-8信号调理电路图

图2-9AD转换模块电路图

2.5D/A转换模块电路设计

D/A转换电路是为了测试产品的A/D转换电路的性能。

对于本课题而言需要在系统中提供能够输出16路的模拟信号。

考虑到电路的成本问题，采用1片D/A转换器，还有模拟信号的经过多路复用器的保持比较困难，所以通过跳线选择的方式完成16路模拟信号的输出。

2.5.1主要芯片的选择

由于本课题要求输出的模拟信号范围是-10V~+10V，考虑到电路的设计成本，在不通过输出信号调理的前提下，选择AD公司的DAC8412芯片，此芯片的数据宽度是12位，精度能够满足系统的要求。

它采用+15V、-15V供电，输出模拟信号的范围是-10V~+10V，正好满足本课题的要求。

同时为了提高转换精度并保证各路D/A变换器输出精度的一致性，选择了一片AD公司的集成基准源芯片AD688,该芯片可以提供测试和D/A转换器芯片所需的+10V、-10V的基准电压。

2.5.2D/A转换模块电路的具体设计

由于D/A转换芯片工作于+5V的电压系统中，而DSP的I/O工作于+3.3V的电压下，这里用专用的电平转换芯片SN74LVC16245来实现3.3V和5V系统的连接。

由于DAC8412是并行的数模转换芯片，在接入电路中时需要用到F2812的外部接口（XINTF）,片选（使能）信号采用高位地址线XA18、XA17、XA16来实现，占用外设区的空间6（Zone6），由于Zone6和Zone7共用一个片选信号XZCS6A7，所以在实际设计中用到低位地址信号XA4、XA3加以区别，在XA18、XA17、XA16为100，且选中Zone6（XA4、XA3为11）时，使能DAC8412，进行D/A转换，仿真的时序图如图2-10所示。

在实际的应用中，由于待转换的数据存在于上位机中，不需要执行数据的回读，所以可以将SN74LVC16245设置成单向传输方式。

在输出16通道的选择上，可以用跳线来选择需要测试的通道，输出端加上保持电路完成模拟信号的保持。

具体电路图如下图2-11所示：

图2-10DA转换的时序图

图2-11DA转换模块电路图

2.6人机接口模块电路设计

测控系统应具有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。

作用是:

用户可以对测控系统进行状态干预和数据输入;测控系统可以向用户报告系统的运行状态与处理结果。

实现人机对话的部件有键盘、显示器和打印机等，这些部件与系统主体之间的连接是通过人机接口电路完成的[10]。

本设计中的人机接口包括按键和LCD液晶显示器。

2.6.1键盘接口模块的设计

键盘作为传统的输入设备，是嵌入式测控系统中