基于DSP的数据采集系统设计论文(可编辑).doc

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1、基于DSP的数据采集系统设计论文 汉口学院学士学位毕业论文 论文题目:基于DSP的数据采集系统设计 学生姓名:吴弘立 学 号:2009913059 专业名称:电信学院通信工程专业 指导教师姓名: 朱纯兵 指导教师职称: 副教授 二0 一三 年 月 日汉口学院学士学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名: 吴弘立 日期:2013 年月 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有

2、关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ,在_年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 (请在以上相应方框内打“”) 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名:日期: 年 月 日目录1、引言42. 系统分析63、 系统硬件设计结构73.1 A/D转换器73.2 数字信号处理器73.3 通信接口设计84、 模拟量采集及A/D转换94.1 温度信

3、号调理94.2 1200104.3 1200与TMS320F240的连接145、 DSP核心模块155.1 TMS320F240芯片155.1.1 TMS320F240内核155.1.2 FLASH/ROM存储模块165.1.3 I/O空间模块165.1.4 外部存储器接口模块185.1.5 PLL时钟模块195.1.6事件管理器模块205.1.7 A/D转换模块215.1.8 串行通信接口(SCI)模块225.2 TMS320F240的基准电源236接口电路设计266.1 接口器件266.1.1 485收发器266.1.2 UT850接口转换器276.2 接口电路连接297. 系统功能扩展及

4、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 TMS320F240 1200 485 异步串行通信 Abstract:The data acquisition system which based on DSP is collecting analog signals

5、 ,converting analog signals to digital signals and processing digital signals.DSP is a single chip microcomputer.With the integration of DSP is higher and higher ,the function is more and more powerful,the line between DSP and single chip is being blurred,and it is more and more widely used in diffe

6、rent applied fields.However it is still a magnificent bridge between the analog world and the digital world. Keywords: Digital Signal Processor ADC Protocol ConverterTMS320F240 1200 485 synchronized serial port communication 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

7、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。 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

8、。 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TMS320C54X/C55X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

9、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。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,

10、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A/D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: 系统硬件设计结构3.1 A/D转换器 A/D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

11、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1200.1200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。1200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TMS320F24

12、0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C2XLP 16定点DSP CPU为内核,配置了完善的外围设备,主要包括时间管理模块(EV)、A/D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:执行速度快,整体效能佳,可达到真正的实时控制。2特殊的硬件及指令设计,适用于高性能的控制。3容易增加附属功能,很容易扩展外围。4具有实时中断的看门狗定时器模块,可*程序之运作。5使用4 层的Pipeline 的程

13、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

14、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UT850 USB 转RS-485转换器。并采用IM公司

15、生产的485收发器芯片以实现RS485标准接口通信。模拟量采集及A/D转换4.1 温度信号调理 通常在模拟信号被A/D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A/D转换器识别进行转换,所以在这种模拟信号被A/D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A/D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A

16、DC转换。 转子温度信号调理电路 4.2 1200 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I/O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1200是广泛应用于高分辨率图像系统的模数转换器。1200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RFPF

17、4.096v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.1200结构图 如图,1200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A/D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NN2n 个均匀的量化电压值V

18、rm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ViVrm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1200中,先通过第一级的K位并联比较A/D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D/A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

19、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。4.3 1200与TMS320F240的连接 1200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,1200与TM

20、S320F240的接口电路如图: TMS320F240与1200的连接电路 1200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。1200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。1200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-CAL1,12

21、00开始自校准。校准结束时,1200的校准结束标志位END-CAL输送有效信号1到320F240的IO3 space端口,以告诉dsp,1200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,OE1时D0-D15处于接通状态输出信号。DSP核心模块5.1 TMS320F240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)

22、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、FLASH EEROM(flash存储器)模块、外部存储器接口模块、数字I/O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。5.1.1 TMS320F240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

23、的DARAM双端口存储器B0、B1、B2等。5.1.2 FLASH/ROM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5.1.2 FLASH/ROM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。5.1.3 I/O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

24、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 IOPB0、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TD

25、LIA、TCLKIN复用;19号IOPC0引脚与W/R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IOPE1、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IO

26、PF4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I/O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I/O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-A15 16位地址总线的弟n(n0-15)位引脚;DSP的第127、130、132、134、136、138、143、5、9

27、、13、15、17、20、22、24、27号引脚分别为该模块D0-D15 16位数据总线的第n(n0-15)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。5.1.5 PLL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

28、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,

29、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30MHz CPU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A/D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

30、分都与I/O空间引脚复用,TCLKINA/B为外部时钟输入引脚,对于EVA,3个比较单元引脚PWM1/2,PWM3/4,PWM5/6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。PDPINTA/B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EVA T1CMP连接CAP1和CAP2引脚,T2CMP连接CAP3,EVB同样连接。通常C

31、AP1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。5.1.7 A/D转换模块该模块引脚如下图: 图5.1.7 ADC引脚 该模块包括一个10位A/D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EVA/B触发,外部ADC SOC触发等。 ADCIN为模拟输入引脚,VREFHI和VREFLO分别为模拟输入参考电

32、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,VCCA 3.3V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I/O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,

33、置位SCI允许TXENA时,写入发送数据缓冲寄存器(SCITXBUF)启动发送,如果发送移位寄存器(TXSHF)为空,则存放在SCITXBUF中的数据传送到TXSHF中,并置位TXRDY0,数据从低位LSB开始逐位从发送数据引脚移位输出,发送完成时置位“完成”标志TXRDY1,并允许发送完成中断。接收数据的速度取决于SCI时钟,它的核心是接收移位寄存器RXSHF,它由SCI控制寄存器的”RXENA”使能,SCICCR的奇偶检验位执行奇偶检验,检验测到一个字符的停止位后,接收的数据从移位器传至接收数据缓冲器(SCIRXBUF),置位接收数据寄存器满标志(RXRDY1)。在允许接收中断(RX/BK

34、INTENA1)时发生中断。如果通过奇偶校验检测出接收不正常,则发生间断、帧错溢出等情况。 该数据采集系统包括三大模块,对模拟信号的采集转换,对采集信号的检测、滤波、整形,和传送到上位机。其三大功能模块如下图:TMS320F240是这个系统的核心部分,它要完成对温度信号的检测、滤波整形等处理。5.2 TMS320F240的基准电源 TMS320F240的电源和时钟非常重要,如果电源盒时钟的精度低就会影响到数据采集和dsp的数据处理的精度,因而电源和时钟是系统设计中非常重要的一个环节。该系统采用ANALOG DEVICES公司的可编程精密基准电源器件AD584来为dsp提供+5v电压。 AD58

35、4是一款8引脚的精密基准电压源,提供四种10v、7.5v、5v和2.5v常用的输出电压,通过增加外部电阻可以实现从2.5v到10v之间的任意电压。输入电压范围在4.5v到30v之间。该器件采用激光晶圆调整LWT技术来调整引脚可编程的输出电平和温度系数,从而获得最为灵活的单芯片、高精度基准电压源。除可编程输出电压外,AD584提供一个独特的选通引脚,可以通过它开启或关闭器件。该器件用作电源基准电压源时,利用单个低功耗信号可以关闭电源。在“关闭”状态,该器件耗用的电流降至约100 A。在“开启”状态,总电源电流典型值为750 A,其中包括输出缓冲放大器。AD584推荐用作需要外部精密基准电压源的8

36、位、10位或12位数模转换器DAC的基准电压源。该器件也非常适合最高14位精度的所有类型模数转换器ADC,无论是逐次逼近型还是集成式设计,而且其性能通常优于标准独立式基准电压源。AD584J/K/L的额定工作温度范围为0C至+70C,AD584S/T则为-55C至+125C。所有等级产品均采用密封八引脚TO-99金属帽壳封装;AD584J/K还提供8引脚塑封DIP封装。 AD584芯片外部引脚 该电源接入到系统中时,把产生5v电压的2引脚接到TMS320F240的VCCA和VREFHI两个引脚上。 TMS320F240的参考电压电路 5.3 TMS320F240时钟 TMS320F240的时钟

37、可以由板载振荡器提供也可以由外部时钟提供。使用外部时钟提供能够保证时钟的稳定性和精度。如果时钟的精度不高,那么dsp的稳定性差,信号的精度也会大大降低。所以该系统采用外部时钟输入,由无源晶振产生4MHz脉冲,通过PCB板上覆铜和串接LC滤波电路来抑制外界干扰,保证系统的稳定工作。HC 49S外部无源晶振器TMS320F240外围时钟6接口电路设计6.1 接口器件6.1.1 485收发器 该系统与计算机通信的主干线为RS422/RS485型总线,虽然TMS320F240内部集成了串行通信模块,并有专用的通信发送端引脚和通信接收端引脚,但它的信号传输采用的是TTL电平,无法直接接入该RS422/R

38、S85总线网络,因此需要通过收发器接入网络。 该系统采用IM公司的485收发器芯片完成RS485标准接口通信。485芯片采用单5v电源供电,工作电流为120-500uA,功耗很低。有驱动过载保护功能,其共模输入电压范围为-7-12v。 RS485是多发送器的电路标准,对RS422的性能进行了扩展,它可以驱动多个接收器,以实现与多个从机的连接。RS485可以实现2.5Mbps的比较高的传输速率。485引脚图485的RO引脚为该收发器的输出端连接到DSP的RXD,DI为驱动器的输入端连接到dsp的TXD引脚,RE为接受使能端,低电平有效,DE为发送时能端,高电平有效。A、B端为接收、发送差分信号端

39、,即当A引脚电平高于B时,发送的数据为高电平信号,当A引脚电平比B低时,发送的数据为低电平信号。6.1.2 UT850接口转换器 由于485芯片的电平与计算机的USB电平不同,而且计算机上没有RS485接口,RS485/RS422总线也无法直接接计算机,所以485要与计算机上的USB接口连接就必须采用USB转RS485/RS422转换器以实现数据传输。 该系统采用UT850 USB转RS485/RS422转换器以实现计算机与RS485/RS422总线的连接。 UT850是通用的USB接口转换器,兼容USB、RS422、RS485标准,无需外部电源供电,能够将USB信号转换为485的A、B差分引

40、脚可以接收的RS485/RS422型差分信号,这样就能通过RS485/RS422总线传输后直接输入到485中。另外UT850还能实现PC到多点的可靠通信,一个UT850转换器可与多达32个RS485/RS422接口设备相连接。通信速率最高为921.6Kb/s,带有电源指示灯和数据流量指示灯可指示故障情况。 RS422点对多点四线全双工通信RS485点对多点两线半双工通信6.2 接口电路连接由于该系统只是实现dsp与计算机的单向通信,即只把电机温度信号传送给计算机,所以仅用一个485芯片的驱动器输入DI引脚与AMS320F240的通信模块(SCI的发送端SCITXD相连即可。 485的输出的差分

41、信号即为RS485/RS422传输总线的信号,所以485的差分信号输出A、B端口可直接接入总线,其接收器和驱动器输出使能RE、DE都接高电平。 RS485/RS422总线的末端通过USB转RS485/RS422转换器UT850接入计算机的USB端口以实现与计算机的通信。 系统硬件连接图 到现在为止这个基于TMS320F240采集电机温度信号并传送到上位机的系统硬件已经设计完成。该系统仅实现了信号采集最简单的功能,在该系统的基础上可以进行扩充实现更强大的功能。例如可以实现对电机转速信号和温度信号的同时采集,通过TMS320F240的分析处理后,可用OLED有机发光二极管显示器显示出来,如果发动机

42、出现故障温度过高或转速不正常,则可通过TMS320F240并口驱动输出语音信号到扬声器报警,另外还可通过TMS320F240驱动控制功能对电机继电器进行控制。系统功能扩展及一般采集系统设计 一般数据采集系统设计都包括模拟量采集,A/D转换,dsp处理等。通常dsp中有A/D转换模块,以上系统的设计就可以采用TMS320F240内部的A/D转换。如果是高精度的数据采集例如高清视频信号的采集,就需要高分辨率的A/D转换,这时就要通过外部独立的A/D转换芯片来实现A/D转换。就像计算机的主板或CPU上一般集成有显卡,但是其性能比独立显卡低很多,如果需要高质量的图像显示还必须要用外部独立显卡。以上系统

43、在设计的过程中只是对电机的温度信号进行了采集和输出,因此可以采用其它功能单一的仅对信号进行处理的dsp。TMS320F240芯片不但有对信号进行检测、滤波、整形的功能,还可以对信号进行逻辑判断并产生驱动控制信号,对电机进行系统监控和保护等控制功能,倘若仅仅只是对温度信号进行采集,这款dsp用在这里就太浪费了。所以在系统设计中考虑系统的功能并选择一种合适的芯片是十分重要的。 对于TMS320F240芯片数据采集只是它的部分功能,该芯片主要是针对电机、逆变器、机器人和数控机床等控制而设计的,所以它的功能主要是实现对信号的采集处理和根据信号进行逻辑判断进而对电机、逆变器、机器人、数控机床等进行驱动控

44、制。以上系统的设计只是实现了该系统很小的一部分功能。可以对该系统进行扩展以实现完整的功能即对电机进行控制和诊断报警。 参考文献(1)TI公司TMS320F240 DSP 使用说明书中译本,1999;(2)杨银堂等,DSP开发-从时间到提高,中国电力出版社,2007.3;(3)马明建,数据采集与处理技术第2版,西安交通大学出版社,2005.3;(4)纪宗南,消费电子的dsp处理技术及应用实例,中国电力出版社,2007.8;(5)刘和平等,TMS320LF240x DSP结构、原理、及应用,北京航空航天大学出版社,2002; 致谢: 在毕业论文的写作过程中,得到了很多老师和同学的帮助,其中朱纯兵导师对我的关心和支持尤为重要。从选题、查阅资料、拟定提纲、论文修改到最终定稿等各个环节都得到了朱老师的悉心指导。朱老师的悉心督促、指导,热心鼓励和真诚帮助使我深受感动、终生难忘,他的渊博学识和严谨细致的作风使我受益终生。