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目录
1、引言4
2.系统分析6
3、系统硬件设计结构7
3.1AD转换器7
3.2数字信号处理器7
3.3通信接口设计8
4、模拟量采集及AD转换9
4.1温度信号调理9
4.2MAX120010
4.3MAX1200与TMS320F240的连接14
5、DSP核心模块15
5.1TMS320F240芯片15
5.1.1TMS320F240内核15
5.1.2FLASHROM存储模块16
5.1.3IO空间模块16
5.1.4外部存储器接口模块18
5.1.5PLL时钟模块19
5.1.6事件管理器模块20
5.1.7AD转换模块21
5.1.8串行通信接口（SCI）模块22
5.2TMS320F240的基准电源23
6接口电路设计26
6.1接口器件26
6.1.1MAX485收发器26
6.1.2UT850接口转换器27
6.2接口电路连接29
7.系统功能扩展及一般采集系统设计30
内容摘要：
基于DSP的数据采集系统首先是对模拟信号进行采集，把模拟信号转换为数字信号，再通过DSP对数字信号进行处理的技术。
DSP是一种单片机，随着DSP的集成度越来越高，功能越来越强大，DSP与单片机之间的界限也越来越模糊，它的应用领域也越来越广泛，但是它的根本作用仍然是连接模拟世界和数字世界的桥梁。
关键词：
数字信号处理器模数转换器接口转换器TMS320F240MAX1200MAX485异步串行通信
Abstract:
ThedataacquisitionsystemwhichbasedonDSPiscollectinganalogsignals,convertinganalogsignalstodigitalsignalsandprocessingdigitalsignals.DSPisasinglechipmicrocomputer.WiththeintegrationofDSPisismoreandmorepowerful,thelinebetweenDSPandsinglechipisbeingblurred,anditismoreandmorewidelyusedindifferentappliedfields.Howeveritisstillamagnificentbridgebetweentheanalogworldandthedigitalworld.
Keywords:
DigitalSignalProcessorADCProtocolConverterTMS320F240MAX1200MAX485synchronizedserialportcommunication
1、引言
早期的嵌入式系统硬件核心是各种类型的8位和16位单片机。
随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业生产和科学技术研究都需要借助于数字处理方法。
近年来，数据密集型数字信号处理器（DSP）以其高性能、低价格的优点得到了广泛的应用。
进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。
基于DSP的数据采集系统设计是以前端的模拟信号处理、数字信号处理和计算机等高科技位基础而形成的一门综合技术，是联系模拟世界和数字世界的桥梁。
它在许多领域得到了广泛的应用。
随着各种集成化单片DSP的性能不断得以提升，相应的软件和开发工具日趋完善，价格迅速下降，使得DSP在控制领域的应用备受关注。
在DSP领域，德州仪器（TI）公司的产品及其配套技术与开发工具具有强大的竞争力，其中TMS320型DSP是其代表系列。
TMS320型DSP包括TMS320C2000系列、TMS320C5000系列、TMS320C6000系列，除此三大系列主流芯片外还有TMS320C2X、TMS320C5X、TMS320C4X、TMS320C8X等产品。
其中TMS320C2X、TMS320C5X定点系列DSP被TMS320C2XX和TMS320C54XC55X系列DSP代替而逐步淘汰；
TMS320C4X和TMS320C8X两种浮点DSP也因为TMS320C67X的出现而不再推荐使用，而TMS320C3X是一种性价比较高的浮点DSP芯片，还具有一定的市场空间。
本文将以TMS320C2000系列下的TMS320C24XX系列中的TMS320F240为数据采集与控制系统的核心芯片，以实现对电机温度信号的采集以及与计算机的通信显示。
2.系统分析
要实现对电机相关量的采集首先必须用传感器检测电机的温度和转速，把检测到的温度信息和转速信息变换为温度电信号和转速电信号后，这些电信号要通过信号调理电路，并经过模数转换器进行转换。
转换后的数字信号要经过dsp的检测、滤波、整形等处理，处理完成之后的信号还要通过有机发光二极管OLED显示器上显示出来，或者输入到计算机上进行显示分析，并通过计算机对电机进行远程控制，操作者现场查看数据并排除故障。
但跟系统只是实现对电机信号的采集并显示在远程计算机上。
所以还必须实现dsp与计算机之间的通信。
而该系统采用的TMS320F240芯片的SCI接口无法与计算机直接连接，因此要使进行接口转换。
该系统工作过程主要是将模拟输入信号经过AD转换器进行采样和转换，并把采集得到的大量数据送入DSP内部进行软件滤波以及前端处理。
在DSP完成采集数据的处理工作后，将处理结果经过通信接口送至主机，进行实时的后端分析和显示。
系统结构图如下：
3、系统硬件设计结构
3.1AD转换器
AD转换器有直接转换型和简介转换型，直接转换型是把模拟信号直接转换为数字信号，与间接转换相比同样可以达到很高的分辨率，但是它的转换速度比间接转换型要快。
为了达到高精度并且有很快的转换速度，该系统将采用并联比较型直接转换ADC芯片MAX1200.MAX1200是新型全差分多级流水线结构的模数转换器，但它的每一级转换都是采用并联比较型转换技术。
它是具有采样频率可达1Msps的16位单片集成的模数转换器，它有快速的数字误差校正和自校准功能。
能保证在全采样率时具有16位的线性度和91db的菲杂散动态范围（SFＤR）,以及良好的信噪比（SNR）和谐波失真（THD）特性。
MAX1200主要用于高分辨率图像系统、扫描仪、数字通信、检测仪表和数据接收等领域。
3.2数字信号处理器
该系统的DSP将采用TI公司的TMS320F240芯片。
TMS320F240也称为DSP控制器，是TI公司针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的，功能十分强大。
它以C2XLP16定点DSPCPU为内核，配置了完善的外围设备，主要包括时间管理模块（EV）、AD转换模块（ADC）、串行通信接口模块（ADC）、串行通信接口模块（SCI）、串行外设接口模块（SPI）、中断管理系统和系统监视模块。
TMS320F240具有以下优点：
（1）执行速度快，整体效能佳，可达到真正的实时控制。
（2）
（2）特殊的硬件及指令设计，适用于高性能的控制。
（3）（3）容易增加附属功能，很容易扩展外围。
（4）（4）具有实时中断的看门狗定时器模块，可*程序之运作。
（5）（5）使用4层的Pipeline的程序运作及设计有指令延迟之功能。
3.3通信接口设计
由于并行通信方式使用的传输线多，通信成本高，特别是随着通信距离的增加，通信成本大大增加，且可靠性大大降低，串行通信的优点是通信距离远，通信成本低，所以本系统采用串行通信方式以实现dsp与计算机之间的通信。
在串行通信中需要解决的一个基本问题是通信的主从机必须按照统一的电气和物理接口标准来连接，如信号电平、信号定义与电缆特性等都必须按照统一的标准。
PC上的接口一般是RS-232、并行打印机接口和USB接口。
USB接口是应用最为广泛和最为方便的接口，所以这里采用PC的USB接口与DSP通信。
在进行点对点通信时一般都使用标准的RS-232方式。
即用PC机的RS-232接口通过RS-232专用电缆与另一目标主机进行直接连接不需要接口转换。
但是RS-232的传输方式是采用一根为地线一根为信号线的不平衡传输，抗干扰性很差。
而RS-485（多发送器电路标准）采用正负极信号差动输送方式，抗干扰性强，传输距离远。
RS-485可以让主机跟多个从机进行通信。
所以本系统TMS320F240的SCI通信接口协议选用RS-485。
这样PC的USB接口就要与DSP的RS-485接口进行通信。
但是USB不能与RS-485接口进行直接通信，必须采用USB转RS-485的容错型转换器，因此本系统采用UT系列的UT850USB转RS-485转换器。
并采用MAXIM公司生产的MAX485收发器芯片以实现RS485标准接口通信。
4、模拟量采集及AD转换
4.1温度信号调理
通常在模拟信号被AD转换之前都有经过某些种类的信号调理电路。
这是因为传感器对温度、压力、光的强度等通过感受并转换为电压、电流等电信号时，这些电信号非常微弱且有很多噪声信号，所以它通常很难被信号采集设备识别，也无法被AD转换器识别进行转换，所以在这种模拟信号被AD转换之前要经过调理电路的放大、衰减、滤波、缓冲等处理，使其适合AD转换器。
在一个数据采集系统当中，倘若调理电路设计的很好，可以大大提高系统采集信号的精度和准确度。
本系统从传感器送来的4路电机温度信号先要通过通过信号调理电路然后进入ADC转换。
转子温度信号调理电路
4.2MAX1200
其实TMS320F240芯片内部集成了两个独立的模数转换器，每个模拟转换器可实现8个通道的模拟转换，但其转换的精度度并不高。
如果为了实现系统的高精度转换和信号的高分辨率采集，采用独立的模数转换芯片。
TMS320F240转换接口电路
其中模拟输入通道引脚中的ADC0、ADC1、ADC8、ADC9与数字IO复用，转换精度低于其它模拟输入引脚，一般设计电路时不适用在四个引脚。
该系统采用的MAX1200是广泛应用于高分辨率图像系统的模数转换器。
MAX1200采用+5v电源单端供电，另一负极输入电压引脚接地。
其信号输入方式采用差分输入，参考电压为正极RFPF4.096v由外部输入，负极RFNF接地.当100kHz频率的信号输入时，信噪比和非杂散动态范围分别为87分贝和91分贝。
它的功耗只有273mw.
MAX1200结构图
如图，MAX1200是分级流水线型结构，由多级电路组成，每一级都有一个采样保持放大器，一个低分辨率的模数和数模转换器，以及求和电路。
其中每一级的模数转换器都是采用的并联比较型AD转换原理，所以该芯片实际上是由多级比较型并联转换组成的转换器。
并联比较型转换原理如图：
其中D0到Dn为转换后的n位数字输出量，Vr为参考电压，Vi为模拟输入量，接比较器的正向输入端，Vi的变化范围在0-Vr之间，分压电阻把Vr分为N（N=2n）个均匀的量化电压值Vrm作为参考电压，接比较器的反向输入端，输入量电压Vi与Vrm进行比较，当Vi>
Vrm时比较器输出端Cm为高电平信号，否则为低电平信号，最后通过优先编码器编码得到最终的n位数字信号。
在芯片MAX1200中，先通过第一级的K位并联比较AD转换得到一个粗略的前K位数字信号，这个K位信号接着又通过n位分辨率的乘积型DA转换得到模拟信号送到求和电路中，在求和电路中，输入电压信号减去这个转换后的模拟信号得到这一级的差值电压信号，然后在采样保持放大器中放大到某一增益送入下一级进行与第一级相同的处理，但每两级在同一时刻总是处于不同的工作状态中，当第一级时钟为高电平有效时第一级进行采样工作，第二级时钟为低电平无效，此时第二级处于保持状态，当第一级采样完毕时，时钟发生翻转，第一级进入保持状态而第二级开始采样工作。
时钟结构如图：
在第二级进入保持状态第三级开始对第二级放大差值电压信号量化时，处于采样状态的第一级或者停止工作，或者对下一个信号进行采样,可以看出在一个时钟周期内，整条流水线可以完成一次转换。
经过这样的各级处理后，最终把经过每一级转换后的信号并行输出就得到高精度的数字信号，在并行输出时流水线前几级要长短不同的延时以达到各级同时刻输出。
4.3MAX1200与TMS320F240的连接
MAX1200模数转换器对视频信号进行采集转换为数字信号后需要送到TMS320F240中进行滤波等前端处理，MAX1200与TMS320F240的接口电路如图：
TMS320F240与MAX1200的连接电路
MAX1200采用+5v单端模拟电源供电，其电压的稳定值上下起伏不能超过5%，其D0到D7输出数据的低八位引脚和D8到D15输送数据的高八位引脚分别于TMS320F240的D0到D15数字信号输入通道引脚相连，由于不需要再用TMS320F240进行模数转换，所以它的ADC0到ADC15模拟输入通道引脚全部闲置。
MAX1200的数据有效时钟引脚连接到TMS320F240的可屏蔽中断引脚信号输入INT1上。
MAX1200的ST_CAL自校准触发数字输入端与TMS320F240的IO2端口相连，当IO2端口发送有效信号时，ST-CAL=1，MAX1200开始自校准。
校准结束时，MAX1200的校准结束标志位END-CAL输送有效信号1到MAX320F240的IO3space端口，以告诉dsp，MAX1200已完成校准开始进行模数转换任务，dsp做出相应的应答准备接受数字信号。
其它OE为输出时能端，OE=1时D0-D15处于接通状态输出信号。
5、DSP核心模块
5.1TMS320F240芯片
TMS320F240为TI公司的集成度高，功能强大的定点式数字信号处理芯片，采用加强型的哈佛结构，具有非常快的运算速度，适合于应用到高速的数字信号处理系统中。
TMS320F240包括CPU内核、PLL时钟、ADC转换模块、SCI（串行通信接口）模块、SARAM（单端口）存储器模块、SPI（串行外部设备接口）模块、CAN（控制器区域网）模块、WD（看门狗定时器）模块、FLASHEEROM（flash存储器）模块、外部存储器接口模块、数字IO空间模块、JTAG测试端口模块、事件管理器EVA和时间管理器EVB模块。
5.1.1TMS320F240内核
TMS320F240内核包括1个CALU（中央算术逻辑单元）、两个ACC（累加器）、ISCALE（输入数据定标移位器）、PSCALE（乘积定标寄存器）、OSCALE（输出数据定标寄存器）、PREG（乘积定标移位器）、IMR（中断屏蔽寄存器）、IFR（中断标志寄存器）、多个MUX（复用器）等，其主要内部存储器包括3个总计为544字的DARAM（双端口存储器）B0、B1、B2等。
5.1.2FLASHROM存储模块
该存储模块共有32K字用来提供永久的程序存储空间，该存储模块也叫EEPROM，即电可擦除可编程只读存储器，它可对程序进行擦除写入，因此可以多次进行不同用途的使用。
它的外部引脚接口如图：
图5.1.2FLASHROM存储器引脚
VCCP为第58号电压输入引脚，在FLASH存储器进行编程或写入程序时，它的电压值为5V，正常工作状态下的电压值为3.3V。
TP1和TP2分别为第60、63号阵列测试引脚，DSP正常工作时处于闲置状态。
5.1.3IO空间模块
该模块负责与外部设备或存储器进行数据交换，例如与外部设备通信，在电机的数据采集和控制系统中该端口可以向继电器发送控制信号并对继电器进行切断和联通控制。
该部分的外部引脚图如下：
该模块引脚与其他引脚共享，其中25、26号IOPA0、IOPA1引脚与SCI引脚复用，23号IOPA2引脚与XINT引脚复用，83、79号IOPA3、IOPA4引脚与CAP和QEP引脚复用，75号IOPA5引脚与CAP引脚复用，56、54号IOPA6、IOPA7引脚与PWM引脚复用；
52、47、44、40号IOPB（0、1、2、3）引脚与PWM引脚复用，16、18号IOPB4、IOPB5引脚与TPWM和TCMP复用，14、37号IOPB6、IOPB7引脚分别与TDLIA、TCLKIN复用；
19号IOPC0引脚与WR复用，119号IOPC1与BIO复用，30、32号IOPC2、IOPC3引脚与SPISIM引脚复用，35号IOPC4与STICLK复用，33号IOPC5引脚与SPISTL复用，72、70号IOPC6、IOPC7引脚与CAN输出输入复用；
73号IOPD0引脚与CLKOUT复用；
65、62、59、55、46、38号IOPE（1、2、3、4、5、6）引脚与PWM复用，88号IOPE7引脚与CAP和QEP复用；
81号IOPF0引脚与CAP和QEP复用，69号IOPF1引脚与CAP复用，8、6号IOPF2、IOPF3引脚与TCMP和TPWM复用，2号IOPF4引脚与TDIRB复用，126号IOPF5与TCLKIN复用，131号IOPF6引脚专用。
当外部存储器访问IO空间时,IS、DS、PS都处于低电平有效状态。
5.1.4外部存储器接口模块
该模块包括64K字程序存储空间，64K字数据存储空间和64K字的IO空间，但是该接口模块可以与外部存储器芯片连接以扩展芯片的外部存储空间，它的引脚图如下：
DSP的80、78、74、71、68、64、61、57、53、51、48、45、43、39、34、31号引脚分别为该模块A0-A1516位地址总线的弟n（n=0-15）位引脚；
DSP的第127、130、132、134、136、138、143、5、9、13、15、17、20、22、24、27号引脚分别为该模块D0-D1516位数据总线的第n（n=0-15）位引脚；
当PS（程序空间选通）和STRB外部存储器访问选通处于低电平有效时，DSP才开始访问外部存储器。
5.1.5PLL时钟模块
该模块可以为内部个器件提供时钟，而且还可以为外部其他电路输出时钟。
但该模块由于没有晶振或谐振器不能自己产生基准时钟，必须通过外部提供的较低频率时钟合成为片内时钟，通常接入外部晶振或陶瓷谐振器来提供片内时钟频率，也可以用外部的时钟源器件直接为片内各个部分提供时钟频率，这个时候内部振荡器就不再需要，TMS320F240芯片允许使用外部时钟源，此时内部振荡器被旁路。
该模块的引脚图如下：
11、10号PLLF、PLLF2引脚外接滤波器电路，当外接外部时钟源时，123、124号XTAL1、2振荡器输入输出引脚分别接晶振或谐振的两端，12号PLLVCCA引脚接3.3V电压源。
倘若使用片内振荡器对外部时钟源进行合成而提供内部各器件时钟的方式，输入基准时钟频率在4MHz-20MHz之间，由于内部倍频电路容易被干扰为了获得较高精度的时钟还必须采用电容和电阻元件构成的外部滤波器电路回路来抑制信号抖动和电磁干扰，使噪声信号影响降到最低但无法消除，此时外部滤波器电路两端接PLLF和PLLF2引脚。
如果直接用外部时钟源提供片内时钟则不需要外部滤波器电路回路来消除噪声信号，此时时钟精度最高，但是外部时钟源频率必须与内部器件时钟频率一致，例如要获得30MHzCPU时钟频率，则外部时钟源频率必须也为30MHz，外接时钟频率范围为4MHz-30MHz.
5.1.6事件管理器模块
该模块是最复杂的模块，同时也很重要，为控制系统的开发提供了强大的功能。
例如它可以向电机监控程序提供温度过高、转速不正常或电压过高等异常信息，它可以周期性的控制内部AD转换。
该模块包括EVA和EVB部分，每个部分包括2个通用定时器（GP）、3个比较单元、3个捕获单元和正交编码脉冲倍频电路，这两个部分的功能相同。
事件管理器引脚如下图：
图5.1.6事件管理器引脚
可以看出事件管理器的引脚大部分都与IO空间引脚复用，TCLKINAB为外部时钟输入引脚，对于EVA，3个比较单元引脚PWM12，PWM34，PWM56分别输出两路互补的PWM波形，同样对于EVB。
EVA和EVB一共输出12路PWM波形信号，它的高或低电平有效可以自行配置，该信号用来控制各种不同类型的功率设备。
PDPINTAB可以为例如功率变换和电动机驱动等系统操作提供安全保证，即它可以向监控系统提供异常信息。
CAP引脚为捕获单元引脚，捕获单元用来监视被捕获输入引脚上的信号变化例如对PWM信号的上升沿或下降沿的捕获，对于EVAT1CMP连接CAP1和CAP2引脚，T2CMP连接CAP3，EVB同样连接。
通常CAP1捕获上升沿信号，CAP2捕获下降沿信号，所以CAP1和CAP2的时钟频率必须相同，CAP3则另用时钟。
QEP引脚为正交编码器脉冲（QEP）电路引脚,正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息，当QEP被使能时捕获单元引脚上的捕获功能被禁止。
5.1.7AD转换模块
该模块引脚如下图：
图5.1.7ADC引脚
该模块包括一个10位AD转换内核，两个8状态排序器,16个可单独访问的结果寄存器用来存储转换值。
模数转换启动触发源有软件触发，事件管理器EVAB触发，外部ADCSOC触发等。
ADCIN为模拟输入引脚，VREFHI和VREFLO分别为模拟输入参考电压高电平和低电平输入引脚，XINT为外部用户中断引脚，VSSA为模拟电源接地引脚，VCCA3.3V供电电压输入引脚。
该模数转换一个周期分五个阶段。
排序启动（SOS）同步，采样（ACQ）时间，转换（CONV）时间，转换结束（CONV）时间，序列转换结束（EOS）的标志设置时间，这五个阶段总共需大约33到55个时钟周期的时间。
5.1.8串行通信接口（SCI）模块
SCI异步通信包括半双工（单路）通信和全双工（双路）通信。
该模块只有两个引脚SCITXD接收数据引脚、SCIRXD发送数据引脚，这两个引脚都与IO引脚复用。
串行通信接口模块由发送和接收两大部分组成。
发送的核心部分是发送移位寄存器，置位SCI允许（TXENA）时，写入发送数据缓冲寄存器（SCITXBUF）
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