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基于TMS320VC5509A的多路同步数据采集与存储系统

第35卷第23期2007年12月1日继电器

RELAY

Vbl.35No.23

Dec.1.2007

基于TMS320VC5509A的多路同步数据采集与存储系统

黄霞,鲍慧,赵伟,田新成

(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定071003)

摘要:TMs320Vc5509A是TI推出的新一代高性能、低功耗数字信号处理芯片,并扩充了当今流行的usB设备接口模块。系统以硼s320Vc5509A为核心处理器,ePLD为系统控制译码芯片提出了一种多路A/D数据采集与存储系统的设计方案。充分利用TMs320Vc5509A内置的USB接口,构成一个数字采集处理和usB传输系统。简要介绍了系统的部分硬件和软件的设计,并分析了TMs320Vc5509AusB接口模块的结构,给出了usB设备固件的设计和实现方案。

关键词:TMs320Vc5509A;数据采集;固件协议栈

Amu珏ch锄nelSynchronous妇ta-acquisitionandstorageSySt哪based蚰TMS320VC5509A

HUANGXia,BA0Hui,ZHA0Wei,TIANXin-cheng

(DeptofElectronicandCommunicationEngineering,NorthChinaElectricPowerUniVersity,Baoding071003,

China)

Abstr躯t:TMS320VC5509Aisahigh-Peffo咖ance。1ow-power’fixed—pointTMS320C55x(t玎1)DigitalSignalProcessorwithUSBinte咖emoduIe.ne

chipof

1MS320VC5509AandCPLDareusedasthecon廿oIandp麟essingco陀ofthemuIti?channeIsynchronousdataconectionandstoragesyscem.TheUSBmoduleof出e1]ⅥS320VC5509AisusedtobuildupadataacquisitionandUSBdatatransfersystem.Italsointroducesthesofhvareandhardwaredesignofthesystem,analyzesthearchitectureofW垤S320VC5509AUSBmodule,andintroduceafimwaredesignbasedonTMS320VC5509A.

Keywords:TMS320VC5509A:dataacquisition;fi肌wareprotocolstack

中图分类号:TM76文献标识码:B文章编号:1003—4897(20ar7)23.0024.04

O引言1系统总体设计

数据采集是获取信息的基本手段,数据采集技术作为信息科学的一个重要分支,与传感器、信号测量与处理以及微型计算机等技术一起构成了一门综合应用技术,研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业,具有很强的实用性。通用数字信号处理器(DSP)以其强大的数据处理能力在高速数字信号处理方面得到广泛的应用,但它的通信接口功能一般都较弱,而随着嵌入式系统在各个领域的广泛应用,越来越多的应用不仅要求嵌入式处理器有足够的数据处理能力,还希望有简单、可靠的数据通信功能。uSB是目前非常流行的通信接口,具有低功耗、即插即用、广泛的软硬件支持、价格低廉等优点。TI最新推出的新一代TMs320Vc5509ADsP,整合了嵌入式系统的许多功能,具有高性能(400MIPS&200MHz)、低功耗的特点,并在外设中集成了USB设备接口,具有广泛的适用性。

在DSP芯片及CPLD的控制下,A/D转换器对输入的多路模拟信号进行采样处理,将采集的模拟信号转换成数字信号,存入双口RAM中,然后,DsP芯片将数据从双口RAM中读出来通过USB口传输并存入硬盘,用于后续的数据分析与处理。图1给出了系统的原理框图。

图1系统原理框图

Fig.1SystemfunctionaIbJockdiagram

黄霞,等基于rIMS320vC5509A的多路同步数据采集与存储系统.25.

2系统硬件设计

系统采用+5V直流电源供电,内部将5V电压转换为3.3V和1.5V电压以供各器件使用。选择12涮z晶体时钟作为TMs320vc5509的输入时钟,同时该时钟还通过分频作为A/D器件的工作时钟。2.1前置模拟信号输入通道

系统选用了AD公司推出的一款3MHz的单电源工作的14位模数转换器AD9243。它是一个完整的片内带取样电路的14位模数转换器,仅需110跚功耗和单一+5V电源供电,具有良好的交流性能和低噪声以及灵活的输入范围和数字输出。

前置模拟信号输入通道是被测量信号的采集和传输通道,同时也是外界干扰汇入的主要渠道。因此前置模拟输入通道方案设计的优劣将直接影响到整体测量结果的准确度及测试模块的整体指标。本模块设计中,力个模拟通道同时开始采集,因此对应力个完全相同的模拟输入通道,图2为其中一个A/D转换器与它的前端电路。

图2A/D转换器与它的前端电路

Fig.2A/1)switchanditsf幻ntendelectriccircuit

2.2A/D与双口RAM的连接

双口RAM兼容性强,读/写时序与普通单端口存储器完全一样,存取速度几乎可以满足各种CPU的要求,所以我们采用双口RAM来实现DsP与双口RAM的高速通信。IDT70V24是美国IDT公司采用高性能CMOS工艺生产的高速4胁16bit双端口静态RAM。它可以作为16位双口RAM单独使用,也可以进行位扩展,将数据线扩展到32位,甚至更宽。这样组成的双口RAM系统可以全速运行,而且无须任何额外的附加逻辑。

由于AD9243输出的数字信号是14bit,所以IDT70V24的D[15:14]L两个数据信号在这里不起作用。我们应注意到AD9243的最高有效位是D0,最低有效位是D13,所以AD9243的DO~D13需分别和IDT70V24的D13L~DOL相连接。2.3DSP与双口RAM的连接

TMS320VC5509是TI推出的高性能的定点DSP,最高可以运行在144MHz的主频,它基于TMS320c55xDsP的核,因而具有高效且低功耗的特点,适合便携设备使用,其功耗仅为c54x系列DsP的l/6。C5509采用统一编址的方式来划分存储空间,程序与数据总线均能对其访问,从而使C5509便于大量数据的处理与程序的优化。除此之外,C5509还具有以下的外设:USBl.1的标准接口;删C(SD)card的标准接口;IIC、MCBSP、RTC接口。我们将充分利用TMS320vC5509内置的uSB接口,构成数字采集处理和uSB传输系统。

从图3可以看到TMS320VC5509的外部存储器接口同IDT70V24的r端口数据、地址和读写控制信号相连接,而IDT70V24的L端口则同A/D、CPLD相连接,从而实现了它们之间的数据通信。因为外部存储器接口采用了10位数据总线的连接方式,这时其它的地址线不起作用,只需l~12地址,所以图中TMS320yc5509使用了地址线的第】~12位。

图3T槠s32舛G5509与lDT7耐24的连接

Fig.3

TMS320VC5509andIDT70V24connection

图4供电电源部分电路

Fig.4E1ectricpowersupplypartialelectric

circuits

一26.继电器

图4为供电电源部分的电路原理图。利用

AMSll17电压转换芯片将5V电压转换为各器件所需要的3.3V或1.5V电压。电源管脚附近的电容

主要是为了提供瞬间电流,保证电源/地的稳定,对噪声也有较好的去耦作用。其中,D4、D5分别是+5V、+3.3V电源指示灯,当系统正常供电时,指示灯亮。

3系统软件设计

系统软件设计部分主要由Vc5509的初始化程序、CPLD设计程序、uSBI.1软件设计程序以及各功能模块相关寄存器初始设置程序构成。系统软件设计的主要流程如图5所示。

首先是系统的初始化,根据DSP芯片固有的功能和特征,进行主程序的入口设置,所有寄存器清零,程序ROM区和数据RAM区的初始化,中断矢量设置等主程序运行前的准备工作。DSP的初始化程序对系统必须的寄存器和标志位设置初始值,如状态寄存器sTo—sT3、时钟模式寄存器、中断标志寄存器IFR、中断使能寄存器IER、uSB模块内部寄存器等;然后系统进入采集处理状态。

l数据采集存储软件的主程序运

行(使用默认配置)

图5软件总体设计流程图

Fig.5Softwaresystemdesignnowchart

CPLD具有强大的逻辑控制功能,开发与升级系统方便。CPLD电路与DSP相连,利用DSP处理器强大的I/O功能实现系统内部的通信。cPLD在系统中的主要功能是:系统工作时,完成模数转换的时序控制、A/D转换器的片选及中断;本系统选用的EPM7128芯片,是ALTERA公司的MAX7000系列产品,具有高阻抗、电可擦等特点,可用门单元为2500个,管脚间最大延迟为5ns,工作电压为+5V。

图6是主机与DsP存储器之间通过UsB接口进行数据传输的示意图。在进行输入(相对主机而言)操作时,SIE(SIE(serialinterfaceengine)把来自UBM(USBbuffermanager)的并行数据转换为串行数据输入到主机;输出操作时,SIE把主机传来的串行数据转换为uBM所需的并行数据。UBM负责从SIE转移数据到bufferRAM或者由bufferRAM转移数据到SIE。具体实现过程中,需要注意的是CPU或者USBDMA控制器必须在UBM传递数据到SIE前,把数据放入bufferRAM;而当CPU或者DMA控制器准备好向存储器传递的数据后,则需要等待UBM把数据由SIE转移到bufferRAM,方可进行后续操作。

图6主机与DsP存储器之间的数据传输

Fig.6

Data仃ansmissionbetweenmainengineandDSPmemory

使用VC5509A的uSB接口,DSP系统对外部而言可以看作一个uSB设备。它作为一个完整的硬件设备,是由硬件和固件两部分组成的。固件包括有关系统的配置、模块初始化以及uSB协议栈三部分。其中,系统配置是在芯片上电就完成的,与具体系统实现的功能密切相关。因此对于VC5509A来说,固件设计需要实现的主要功能可分为两部分:1)uSB设备的初始化与配置:告知主机设备的能力和特性,并为设备分配地址。

2)usBl.1标准的协议应答(即实现固件协议栈)。

图7USB设备固件流程图

Fig.7USBequipment

fimwarenow

chan

黄霞,等基于JI'MS320vc5509A的多路同步数据采集与存储系统.27一

图7所示是一个比较精简的USB设备固件流程图。

3.1初始化配置

VC5509A的USB固件设计中,初始化配置是很重要的一环。对于55XX系列的DSP芯片,TI在其开发环境CCS中带有芯片支持库cSL(chipsupportlibrary),CSL以函数或者宏的形式提供一系列DSP硬件操作接口。使用CsL可以使uSB模块驱动的编写变得方便快捷。编写通信接口固件可以通过CSL对uSB模块进行配置,首先初始化应用函数接口向量指针,uSB—setAPIVectorAddress()函数使得使用者可以通过函数调用表来访问芯片支持库CSL的UsB应用函数API。然后初始化USB时钟产生器产生USB模块所需要的48MHz时钟,这可以通过UsB—initPLL()函数来完成,接着初始化函数uSB-init()初始化uSB模块,当UsB模块初始化完成后.通过USB—devConnect函数,使USB模块与总线联接,发送和接收USB源数据。USB模块与主机相连接,需要在DSP上运行相应的代码,以支持USB协议。如果没有USB协议处理代码。DSP将不能处理接收到的数据,导致DSP被主机挂起。3.2传输方式的实现

根据USB总线传输的不同数据,USB定义了四种传输方式:控制传输、中断传输、批量传输、同步传输。四种传输方式分别对应于不同的传输环境要求。uSB协议栈应该能够识别不同的数据,并用不同的传输类型对它们进行相应的处理。

控制传输是最为复杂和重要的传输类型,是uSB枚举阶段最主要的数据交换方式。主机一旦发现uSB设备连接到总线上,就通过控制传输来交换信息,设置设备地址、读取设备描述符和选择配置。下面重点分析在VC5509A上实现控制传输的方法。中断传输、批量传输和同步传输较之控制传输要简单,可以在控制传输的基础上实现。控制传输中的硬件操作接口可通过片上支持库CSL中的两个API函数实现,接收Setup包函数USB_getSetupPacket()和传输函数USB_postTransaction()。前者可以由数据缓冲区中读取Setup包,后者则可以通过端点发送和接收uSB数据。当uSB设备初次联接到总线上时,DSP通过USB—getSetupPacket()函数来交换信息、设备地址和读取设备的描述符。利用控制传输实现控制端点0的中断服务程序,完成UsB标准请求命令。

3.3设备固件协议栈

USB设备固件协议栈以设备端点的使用和管理作为基础和核心,编写uSB中断服务程序是整个设备端固件编写的主要内容。固件协议栈主要完成以下功能:设备上电复位,系统初始化,并使能中断;系统等待,直到将Setup包接收到端点0缓冲区为止;应答设备请求,完成设备枚举;等待uSB中断,有中断发生则进入中断服务程序,完成系统要求。

4结束语

针对VC5509ADSP芯片的USB接口,本文提出了基于DSP的多路同步数据采集与存储系统的新的设计方法,介绍了所设计系统中各功能模块的作用和部分硬件的设计以及基于VC5509A的USB模块的软件设计。DsP通过对CPLD的访问,实现控制A/D对多路模拟信号的同步采集,再通过DSP5509内置的UsB模块把数据存入硬盘中。该方案由于采用TMS320VC5509芯片,克服了以前因采用“主处理器+USB控制器”方式分别处理和传输数据而造成的系统复杂、传输速度延时等缺点,占用系统资源少,既满足实时性,又具有良好的扩展性。因此该方法在工程上具有广泛的应用前景。

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收稿日期:2007—04—16;修回日期:2007—06—14

作者简介:

黄霞(1983一),女,在读硕士研究生,研究方向为信号与信息处理;E—mail:xi帅i0615@126.com

鲍慧(1962一),女,副教授,研究方向为电力系统通信:

赵伟(1980一),男,在读硕士研究生,研究方向为信号与信息处理。

基于TMS320VC5509A的多路同步数据采集与存储系统

作者:黄霞, 鲍慧, 赵伟, 田新成, HUANG Xia, BAO Hui, ZHAO Wei, TIAN Xin-cheng

作者单位:华北电力大学电子与通信工程系,河北,保定,071003

刊名:

继电器

英文刊名:RELAY

年,卷(期):2007,35(23)

引用次数:2次

参考文献(6条)

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6.姜宁.沈建华TMS320VC5509A U S B设备固件设计与实现[期刊论文]-微计算机信息 2005(08)

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最后,针对硬件电路功能完成各个模块的软件设计。主要包括FPGA中的VHDL逻辑设计和DSP中软件设计。使用Windows XP DDK在VisualC++6.0环境下完成PCI驱动程序的开发,实现了设备的创建、启动、停止、删除和数据的读写操作功能。并在Visual C++6.0环境下完成了测试应用程序的编写,对系统的视频数据采集、传输功能进行了验证,实现了数据的高速传输。

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引证文献(2条)

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2.张波.史伟民.吴震宇基于DSP的数字式探纬检测设备研制[期刊论文]-浙江理工大学学报 2010(1)

本文链接:https://www.doczj.com/doc/7a17975015.html,/Periodical_jdq200723006.aspx

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