（运动人体科学专业论文）基于dsp的测力台数据采集系统设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文设计并实现了基于d s p 的测力台数据采集系统。本系统分为5 个模块：多路 电荷放大模块，信号调理模块，d s p 数据采集处理模块，u s b 2 0 数据传输接口模块， u s b 驱动和应用程序模块。 多路电荷放大模块是本系统的难点，主要负责电荷信号的检测，放大和转化，完成 电荷量向标准电压信号的转化。在本系统的设计和实现过程中这部分出现了很多无法想 象的困难，经过分析，主要原因是压电传感器输出的电荷信号极其微弱，甚至外部的一 个很小的干扰也会对放大结果产生严重的影响。最终以提高输入阻抗并且对信号线完全 屏蔽的解决方案完成了多路电荷放大模块的设计，取得了理想的效果。信号调理模块的 任务是完成电荷放大模块输出信号与t m s 3 2 0 d s p 2 8 1 2 的a d c 可以采集的信号范围的 转化，将5 到+ 5 v 的信号转化为o 到3 v 的信号。 d s p 数据采集处理模块以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，利用其内置的多路a d 转换器完成模拟信号到数字信号的转换，同时由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有高速的信号处理 能力，在其内部以软件实现一级f i r 滤波器，将采样的信号经过滤波处理后送入u s b 2 0 数据传输接口模块进行传输。u s b 2 0 数据传输接口模块以a t m e l 公司的a t 9 1 s a m 7 x 为核心，利用其内置的u s b 2 0 设备接口来实现数据的传输。系统实现过程中这部分数 据传输模块和数据采集处理模块的数据传输采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和a t 9 1 s a m 7 x 共有的 带有f i f o 的高速增强型s c i 接口对接来实现。u s b 2 0 驱动模块主要负责为应用程序提 供底层的u s b 管道开关接口，读写接口，状态提取接口，使应用程序可以专注于数据 的处理工作。u s b 2 0 应用程序将接收来的数据经过分析和计算转化为更为直观的图形 和表格数据进行显示。本系统应用电荷放大技术，d s p ，a r m 和u s b 等技术成功的完成 了对d l u t i i 型测力台的数据采集工作，在一定程度上改进了原有系统的性能。 关键词：电荷放大；d s p ；a r m ；u s b 2 0 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 t h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff o r c ep l a t f o r md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t i i lt h i st h e s i s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff o r c ep l a t f o r md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nd s pi sp r e s e n t e d 。砀ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t o f i v em o d u l e s ：m u l t i c h a n n e l c h a r g ea m p l i f y i n gm o d u l e , s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e ，d s pd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g m o d u l e ，u s b 2 0d a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f a c em o d u l e ，u s bd r i v e ra n da p p l i c a t i o nm o d u l e m u l f i c h a n n e lc h a r g ea m p l i f y i n gm o d u l ei sd i f f i c u l t yo ft h es y s t e m ，t h em a i nc h a r g ei s r e s p o n s i b l ef o rs i g n a ld e t e c t i o n ，a m p l i f y i n ga n dc o n d i t i o n i n g , c h a n g e sc h a r g ei n t os t a n d a r d v o l t a g es i g n a l d u r i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m ，t h i sp a r th a st a k e np l a c e al o to fc a nn o ti m a g i n ed i 伍c u l f i e s a f t e ra n a l y s i s t h em a i nr e a s o ni st h a tp i e z o e l e c t r i c s e n s o r s o u t p u tc h a r g es i g n a li se x t r e m e l yw e a k e v e nav e r ys m a l le x t e r n a li n t e r f e r e n c ew i l l e n l a r g eo nt h er e s u l t so fas e r i o u si m p a c t a tl a s tt h es i g n a li si m p r o v e db yl i f t i n gi n p u t i m p e d a n c ea n ds h i e l d i n gs i g n a ll i n e ，a c h i e v e st h ed e s i r e dr e s u l t s s i g n a lc o n d i t i o n i n g m o d u l e sm a i nc h a r g ei sc h a n g i n gm u l t i c h a n n e lc h a r g ea m p l i 助n gm o d u l e so u t p u ts i g n a l i n t o0 3 v t h a tc a nb ed e t e c t e db yt m $ 3 2 0 d s p 2 812a d c d s pd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l ec o n s i d e r st i st m $ 3 2 0 f 2 812a st h ec o r e , u s i n gi t sb u i l t i nm u l t i c h a n n e la |dc o n v e r t e ra c c o m p l i s h e st h ea n a l o gs i g n a lt od i g i t a l s i g n a lc o n v e r s i o n a tt h es a m et i m ea sar e s u l to f 也et m $ 3 2 0 f 2 8 12w i t hah i g h - s p e e ds i g n a l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t y ，af i rf i l t e ri sd e s i g n e di ni t a f t e rp r o c e s s i n gt h es i g n a li ss e n tt o u s b 2 0d a t a 仃a n s m i s s i o ni n t e r f a c em o d u l e u s b 2 0d a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f a c em o d u l e c o n s i d e r sa t 9 1s a m 7 xa st h ec o r e u s i n gi t sb u i l t i nu s b 2 0i n t e r f a c ed e v i c et oa c h i e v ed a t a t r a n s m i s s i o n d u r i n gt h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e mt h i sm o d u l ea n dt m $ 3 2 0 f 2 8 12 c o m m u n i c a t et h r o u g he n h a n c e ds c i u s b 2 0d r i v e rm o d u l ei s m a i n l yr e s p o n s i b l ef o r u s b 2 0a p p l i c a t i o nm o d u l ep r o v i d i n gs w i t c hi n t e r f a c e r e a da n dw r i t ei n t e r f a c e ，s t a t e e x t r a c t i o ni n t e r f a c e s s om a ta p p l i c a t i o nm o d u l ec a l lf o e l l so nd a t ap r o c e s s i n g u s b 2 0 a p p l i c a t i o nm o d u l ec h a n g e st h er e s u l t so fd a t aa n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n si n t oam o r e i n t u i t i o n i s t i cg r a p h i c sa n dt a b u l a rd a t af o rd i s p l a y t 1 1 i ss y s t e mu s e sc h a r g ea m p l i f y i n g t e c h n o l o g y ，d s p ，a r ma n du s b 2 0t e c h n o l o g ys u c c e s s f u l l ya c c o m p l i s h e st h ed l u t i i f o r c ep l a t f o r md a t aa c q u i s i t i o nw o r k , i m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a lf o r c ep l a t f o r m k e yw o r d s ：c h a r g ea m p l i f y i n g ；d s p ；a r m ；u s b 2 0 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文 作者签名 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 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。 学位论文题目：丝望! 兰f 笙f2 兰丝二至至堑堑! 丝兰z 翌兰竺 作者签名：重錾型!日期：- 二! 生年l 月二i 二日 导师签名： 日期：翠年上月尘日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题的意义和应用价值 测力平台一直是运动生物力学研究领域的有力测试工具，由于其动态性能好，具有 测试三维数据的功能，而受到研究人员的重视。大连理工大学体育科学研究所开发的 d l u t i i 型测力平台实现了对运动员的运动过程进行测试和力学分析的功能。测试过程 中通过安装在测力平台上的四个三维压电晶体传感器把各个方向的力整合为8 个通道的 数据，然后对各个通道的数据进行采集，滤波，通过u s b 接口与上位机进行通信，最 后由上位机软件系统对各通道的数据进行计算与分析，包括力、力矩、扭矩、力角、冲 量和作用点等数据的计算，并给出各种结果数据的曲线图，可非常直观地分析人体运动 中所受地面支撑反力的动态特征，从而给训练指导和体育研究提供有力的科学依据。 本课题的研究属于在实现d l u t i i 型测力平台中起着决定性作用的部分，主要包 括：电荷放大器，多路测力平台测试信号的调理，采集，变换，滤波处理以及与上位机 的通信。这个部分的研究工作直接决定测力平台的性能的稳定性和参数的准确性。 1 2国内外研究现状 ( 1 ) 嵌入式系统的发展 在计算机技术发展的初期，我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模和适 用领域，将其分为大型机、中型机、小型机和微型机。随着计算机技术的迅速发展，最 初定义的微型机演变为现在的p c 机，其处理速度早已超过了当年大型机和中型机的定 义。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为 切合实际，即将其分为嵌入式计算机和通用计算机。通用计算机具有计算机的标准形态， 通过装配不同的系统软件和应用软件，以类同的面目出现并应用在社会的各个方面，其 典型产品为p c 机。而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和 系统中。嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方 向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出 特征，目前已经广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各个领域。 嵌入式系统可以说是无所不在，任何一个普通人都可能用到从小到大的各种各样使用嵌 入式技术的电子产品，小到m p 3 ，p d a 等微型数字化产品，大到网络家电、智能家电、 车载电子设备等。在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数控机床、工控设备、智能 工具、工业机器人、服务机器人等正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。目前， 各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 根据国际电气和电子工程师协会i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 的定义，嵌入式系统是对设备、机器或车间的运作，进行控制、监视或辅助的装置。另 外，国内有一个更通俗，而被普遍认同的定义：以应用为中心、以计算机技术为基础，软 件硬件可剪裁，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计 算机系统。 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，其中硬件的设计包括微控制器控制电路设计、 网络功能设计、无线通信设计及接口设计等。软件的设计包括硬件产品的驱动、控制处 理等，用以提升硬件产品的价值，常以模块的形式出现( 如通信控制器、接口驱动等) 。 一般来说，嵌入式系统的架构可以分为四个部分：处理器、存储器、输入输出和软件。 软件可以分为应用软件和操作系统，但由于大多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都 是紧密结合的，甚至无需操作系统，所以在这里不加区分，统一为软件。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术以及各行各业的具体应 用相结合的产物，其主要特点如下： 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型的电子装置，系统资源相对有 限，所以内核相对于传统的操作系统要小得多，一般只有几k b 到十几k b 大 小，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 专用性强。嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，必须与具体应用 相结合，其软件和硬件结合非常紧密，要针对硬件进行操作系统的移植，要根 据应用的需求对软、硬件进行剪裁，以满足应用系统在功能、可靠性、成本和 体积等方面的要求。 软件固化存储，代码高质量、高可靠性。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌 入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或嵌入式处理器中，而不是存储于 磁盘等载体中。尽管半导体技术的发展使嵌入式处理器的速度不断提高、片上 存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然使宝贵的，因此，要 求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序代码的长度，提高执行速度。 操作系统高实时性。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统 筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。单纯通过提高处理器速度 是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的嵌入式操作系统来 完成，而高实时性是其基本要求。 需要专门的开发工具和环境。嵌入式系统本身不具各自主开发的能力，即使设 计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套专门的开 大连理工大学硕士学位论文 发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软、 硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标 机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替 结合进行。更多关于嵌入式开发的内容见文献 1 3 】。 ( 2 ) 数据采集系统的发展 运动人体科学是2 1 世纪研究热点之一，是至今尚未完全揭开的谜团。自2 0 世纪5 0 年代以来，研究人体运动的各种条件日趋成熟，运动生物力学开始成为一门独立的学科。 随着计算机的诞生及高速摄影和各类传感器的发明，使人体运动的参数能够准确地被测 定，大量的数据能够进行快速的处理和计算，这些科学技术的进展为运动生物力学理论 分析方法的产生奠定了实验基础。随着康复医学、国防科技、体育科技、计算机科学、 嵌入式技术的发展，使得运动生物力学研究找到了广泛的应用领域。随着社会的进步， 使得上述学科逐渐从纯经验的总结发展到实验测试阶段。这样，作为运动生物力学研究 需要参数的测试仪表的开发开始迅速的发展。本课题属于运动生物力学仪器仪表开发方 向的问题，主要是实现d l u t i i 型测力平台的数据采集部分，当然此数据采集系统也可 以用于工业，医疗，信号处理等领域。由于数据采集系统应用的领域比较宽，实现的手 段也不尽相同。随着运动生物力学，医学研究、医学诊断及医学治疗的需要，现代化的 生物医学仪器进入了以微处理器为主题的阶段。信号与信息处理日益广泛应用于生物力 学研究，医学科研以及临床检查、监护等。在此背景下，国外很多公司与厂商都投入巨 资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有n e f f ，i o t e c h ，n i ，h p ， t e k , z o n i c 和vm i c 等。它们不断推出各种性能优异、种类齐全的产品，目前国内使 用的高性能数据采集产品多出自这些公司。在国内，由于历史、技术等原因，这类产品 还存在诸如通用性差、种类不全等缺陷，无法满足用户的不断增长的需要，还不能与国 外产品抗衡，积极研制和开发拥有自主知识产权的、性能优异的、系列化的数据采集产 品已是势在必行。 1 3 本文主要任务 本文的主要任务是设计并实现基于d s p 的测力台数据采集系统。本设计需要将运 动生物力学原理，嵌入式技术，电子技术，计算机技术，信号处理技术，自动化技术， 传感器技术有机的结合。具体任务如下： 电荷放大器模块硬件设计。 d s p 数据采集处理模块软件和硬件设计。 基于a r m 的u s b 数据传输模块软件和硬件设计。 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 u s b 驱动层软件设计。 u s b 应用层软件设计。 另外，由于各个模块之间有数据的流动，所以需要相应的模块之间有匹配的接口的 设计并且互相协调工作，在本文的进行过程中都进行了成功的设计。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 系统结构设计 系统构成模型不仅能清晰表现设计的层次和联系，更能体现设计所需完成的任务。 本系统整体构成模型如图2 1 所示，当有某个维度上的力施加在测力平台上时，首先通 过测力台上的压电晶体传感器将力转化为电荷量数据，然后通过多路电荷放大器将电荷 量进行放大，转化为0 - 3 v 的标准电压信号送入d s p 进行信号的采集和滤波处理，接下 来通过a t 9 1 s a m 7 x 的u s b 2 0 接口将数据上传到上位机，上位机通过u s b 驱动程序 和u s b 应用程序将接收来的数据经过分析和计算转化为更为直观的图形和表格数据进 行显示。 图2 1 系统模型 f i g 2 1 s y s t e mm o d e l 2 1 多路电荷放大模块 多路电荷放大模块主要负责电荷信号的检测，放大和转化，完成电荷量向标准电压 信号的转化。由于压电传感器输出的电荷信号极其微弱，所以要求电荷放大模块有很好 的屏蔽措施和高阻特性。本系统中使用的连接线均为屏蔽线，为了使系统达到要求的阻 抗特性，系统中选用m o s f e t 来满足需求。 2 2 信号调理模块， 信号调理模块主要完成电荷放大模块信号与t m s 3 2 0 d s p 2 8 1 2 可以采集的信号范围 的转化，将5 到+ 5 v 的信号转化为0 到3 v 的信号，同时由于系统要求采集的信号在 5 0 0 h z 以下，在本部分中加入二阶硬件低通滤波器设计，将大于5 0 0 h z 的干扰信号滤 除。 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 图2 2 信号调理模块方块图 f i 9 2 2b l o c kd i a g r a mo fs i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e 2 3d s p 数据采集处理模块 数据采集处理模块以t i 公司的d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 为核心，利用其内置的多路 a d 转换器完成模拟信号到数字信号的转换，同时由于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有高速的信号 处理能力，我们在其内部以软件实现一级f i r 滤波器，将采样的信号进行处理后送下一 部分进行传输。 2 4 基于a r m 的u s b 2 0 接口模块 u s b 2 0 接口模块选用a t m e l 公司的a r m ( a t 9 1 s a m 7 x ) 内置的u s b 2 0 设备模块 来实现。由于系统中采集模块t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与a t 9 1 s a m 7 x 时钟速度不同，本系统中 在两芯片中间加入f i f o 芯片完成时钟速度的协调。 2 5u s b 2 0 驱动程序和应用程序模块 为了直观的给出测力平台的测试结果，本部分通过u s b 驱动程序和应用程序将接 收来的数据经过分析和计算转化为更为直观的图形和表格数据进行显示。 2 6 系统设计总结 本设计充分体现了运动人体科学与工程类学科的融合。本设计将运动生物力学原 理，嵌入式技术，电子技术，计算机技术，信号处理技术，自动化技术，传感器技术有 机的结合，相信随着这些学科的发展，必将带来运动人体科学飞速的发展。 大连理工大学硕士学位论文 3 系统硬件设计 3 1电荷放大器硬件电路设计 在使用压电晶体传感器的测试系统中，电荷放大器是一种必不可少的信号变换器。 它能将传感器输出的微弱电荷信号变换成放大了的电压信号，同时又能将传感器的高阻 抗输出变换成低阻抗输出。通常，电荷放大器应具有极高的输入阻抗( 大于l o o m ) 。由 于本系统中使用的是三维压电晶体传感器，所以本文中对电荷放大器进行了设计。电荷 放大器在本系统中的作用是将三维压电晶体传感器输出的微弱电荷信号转换为o - 3 v 的 a d c 可采集范围内的电压信号。 3 1 1电荷放大器原理 电荷放大级的作用是将压电传感器所产生的电荷信号转变为电压信号，实质上是一 种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器，它是由带电容负反馈的高输入阻抗、高 增益的集成运算放大器组成。电荷放大级与压电传感器，电缆组成的等效电路如图3 1 所示。 图3 1 电荷放大器的等效电路图 f i g 3 1c h a r g ea m p l i f i e rc i r c u i t 图中：c a 为传感器等效电容，c c 为连接电缆的等效电容，c i 为放大级输入电容， r a 为传感器漏电阻，r c 为连接电缆的等效电阻；r i 为放大级输入电阻，c f 为反馈电 容；矽为反馈电阻。为讨论方便，设：d = c 口+ c c + c f ，鬲1 = 瓦1 + 瓦1 + 面1 ，则电路 图可简化为图3 2 所示。 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 图3 2 电荷放大器组成的简化电路图 f i g 3 2 s i m p l i f y i n gc h a r g ea m p l i f i e rc i r c u i t 饭图3 2 甲廷算放大器阴升土个瑁益为a 则，输出电压u o = 一a u ，则反馈电答两瑞电为： 沈= 狮一u 6 = 一( 1 + - - 三) u o ( 3 1 ) 根据交流电路欧姆定律有： f ，= c t d u i d t + 堕r t = 一土a ( o 丝d t + 丝r t ) ( 3 2 )i 、 、。一， f ，= 盯百d u c + 万u c - _ ( 1 + ( 盯警+ ( 3 3 ) f _ 鱼 (34)dt 、。7 根据集成运放工作于线性区的特点，两输入端的电流为零，则f = f + 0 即害= 一去( o 警+ 鲁) - ( 1 + ( 巧百d u o + - 等- f f ) ( 3 5 ) 假如在稳态简谐输入情况下，电压、电流均为交流量，则上式可表示为： j o 。q - - - a ( j o 沈+ 争( 1 + 扣卿+ ( 3 6 ) 则阶一巧瓦嘉再吾 。7 ( 1 + 者) ( 盯+ 高+ 者( o + 盍) 如果运笪放大器的开环增薷a 1 0 5 i l 卜式可简化为 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 踟= 一斗 ( 3 8 ) c 厂+ 二一j 1 r l 上述分析结果说明，电荷放大级输出电压正比于输入电荷，它的大小取决于反馈网 络的参数及被测信号的振动频率，而与电缆电容无关。当测量信号的振动频率较高，足： 1 c f 二一( 3 9 ) a , r f 、7 则上式又可进一步简化为： 叻：一旦 c 厂 ( 3 1 0 ) 当盯不变时，电荷放大级输出电压叻与物入电荷g 成正比，即与压电传感器的受 力成正比，改变( i 厂便可改变电荷放大级的增益，一般电荷放大器面板上标有“m v u n i t ” 的旋钮，就是用于改变巧的。一般盯分若干档，如1 0 0 p f ，l o o o p v ，1 0 0 0 0 p f 。 由于巧增大输出要减小，使信噪比也减小。为提高信噪比，电路设计中可采取两 种措施，一是采用高增益放大器，故电荷放大级集成运放可选用l f 3 5 6 ，a 10 6 ；二是采 用低噪声电缆，因为电缆受到机械振动自身也可能产生噪声，更多理论资料见参考文献 4 1 0 。 3 1 2 电荷放大器电路设计 根据上节所分析的电荷放大器原理，以及系统中的微弱电荷信号测量的电路要求， 电荷放大器电路设计如图3 3 所示。 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 萎 - i i i i 图3 3 电荷放大器原理图 f i g 3 3c h a r g ea m p l i f i e rc i r c u i t 一1 0 一 一；呵，一i丌；i以基 荔、l埘盯|蟹jg 蓝誉占目一 大连理工大学硕士学位论文 3 2d s p 数据采集模块硬件电路设计 3 2 1 系统中选用d s p 进行数据采集的优势 ( 1 ) 硬件特点： d s p 是属于m o d i f i e dh a r v a r d 架构，即它具有两条内部总线：数据总线、程序 总线。程序与数据存储空间分开，各有独立的地址总线和数据总线，取地址和 读数可以同时进行，目前已达到9 0 亿次浮点运算秒( 9 0 0 0 m f l o p s ) 。 采用流水作业。每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤， 由片内多个功能单元分别完成。相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运 算速度。 独立的硬件乘法器。乘法指令在单周期内完成，优化卷积、数字滤波、f f t 、 相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。 循环寻址( c i r c u l a ra d d r e s s i n g ) ，位倒序( b i t - r e v e r s e d ) 等特殊指令使f f t 、 卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1 0 2 4 点f f t 的时间已小于l uso 独立的d m a 总线和控制器。有一组或多组独立的d m a 总线，与c p u 的程序、 数据总线并行工作，在不影响c p u 工作的条件下，d m a 速度已达8 0 0 m b y t e s 以上。 多处理器接口。使多个处理器可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 标准测试接口( i e e e1 1 4 9 标准接口) 。便于 对d s p 作片上的在线仿真和多d s p 条件下的调试。 ( 2 ) 软件特点： 立即数寻址：操作数为立即数，可直接从指令中获取。例：m o va ， 0 x 1 6 ； 将常数0 x 1 6 送给寄存器a 。 直接寻址：比如，t i 公司的t m s 3 2 0 系列芯片将数据存储器分为5 1 2 页，每页 1 2 8 字。设置一个数据页指针d p ( d a t ap o i n t e r ) ，用9 0 b i t 指向一个数据页， 再加上一个7 - b i t 的页内偏移地址，形成1 6 - b i t 的数据地址。这样有利于加快寻 址速度。 间接寻址：8 个辅助寄存器，由一个辅助寄存器指针指定一个辅助寄存器算术 单元作1 6 b i t 无符号数运算，决定一个新的地址，装入辅助寄存器中的一个。8 个辅助寄存器的内容相当灵活，可以装入、加上、减去立即数；可以从数据存 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 储器装人地址；还可以作一些变址寻址。由于采用反向迸位，得以实现位倒序 寻址。 独特的乘法指令：例：m a cx o ，y o ，a x ：( r 0 ) + ，x o y ： ( r 4 ) + n 4 ， y o 这条指令命令d s p 5 6 3 0 0 ：将寄存器x 0 和y 0 中的数相乘，结果加到a c ca 中，将寄存器r 0 所指的调存储器地址中的值装入寄存器x 0 ，将寄存器r 4 所 指的y 存储器地址中的值装入寄存器y 0r 0 的值加1 ，寄存器n 4 的值加给r 4 。 ( 3 ) 以数字信号处理为基础的d s p 系统与传统的模拟信号处理系统相比较的优点： 接口简单、方便。由于数字信号的电气特性简单，不同的d s p 系统相互连接时， 在硬件接口上容易实现。在数据流接口上，各系统间只要遵循特定的标准协议 即可。 精度高，稳定性好。数字信号处理仅受到量化误差和有限字长的影响，处理过 程不引入其它噪声，因此具有较高的信噪比。另外，模拟系统的性能受到元器 件参数性能影响比较大，而数字系统基本不变，因此数字系统更便于测试、调 试及批量生产。 编程方便，容易实现复杂的算法。在d s p 系统中，d s p 芯片提供了一个高速计 算平台，系统功能依赖于软件编程实现。当其与现代信号处理理论和计算数学 相结合时，可以实现复杂的数字信号处理功能。 集成方便。现代d s p 芯片都是将d s p 芯核及其外围电路综合集成在单一芯片 上。这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品。 另外，现代d s p 芯片作为可编程超大集成电路( v l s i ) 器件，通过可下载的软件 和固件来实现数字信号处理功能。d s p 芯片除具备普通微处理器的运算和控制功能外， 还针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统 和指令流程设计上做了很大的改进。更多的关于d s p 的优势见文献 1 1 1 5 3 2 2t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列芯片概述 t i 公司的t m s 3 2 0d s p 有三个系列：c 2 0 0 0 ，c 5 0 0 0 ，c 6 0 0 0 。同一系列中的不同型号 的d s p 一般都具有相同的内核，相同或者兼容的汇编指令系统：它们的差别在于硬件资 源不同，如片内存储器的大小、外设资源的多少。不同系列的d s p 的汇编指令系统不 兼容，但语法非常相似。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是3 2 位定点d s p 芯片，主要用于数据采集系统设计，交流感 应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机等的电机控制领域。 大连理工大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列包括c 5 4 x x 和c s s x x 两个子系列，主要用于低功耗、高性能 领域，如手持通信产品、g p s 等，处理速度二般在8 0 m i p s 4 0 0 m i p s 。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是3 2 位高性能d s p 芯片，处理速度一般在8 0 0 m i p s 2 4 0 0 m i p s ， 包括定点和浮点两种，其中c 6 2 x x 属于定点，c 6 7 x x 属于浮点，二者相互兼容。其最 主要的特点是在体系上采用了v e l o c i t i 甚长指令字结构。 传统的d s p 芯片数据处理能力非常强大，但它控制能力却很弱，设计产品时往往 需要添加很多接口电路。t i 公司近年推出的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列改变了这一局面。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 是t i 公司继第二代定点d s p 处理器t m s 3 2 0 c 2 x 和第三代定 点d s p m s 3 2 0 c 5 x 之后出现的一种低价格、高性能的d s p 芯片。它的体系结构专为实 时控制及实时信号处理而设计，所配置的片内外设为控制系统应用提供了一个理想的解 决方案。其中其通用定时器、脉宽调制p w m 电路、捕捉器、光电编码器、a d 转换器、 串行通信接口、c a n 控制器、看门狗等片内外设为将d s p 应用于智能测控、电机控制、 电力电子技术等领域提供了丰富的资源。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 是美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t si n c o r p o r a t i o n ) 推出的3 2 位 定点数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是其t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系 列中功能最为强大的d s p 芯片，它是一种3 2 位定点d s p ，该芯片每秒可执行1 5 亿次 指令( 1 5 0m i p s ) ，具有单周期3 2 位乘3 2 位的乘和累加操作( m a c ) 功能。由于该 芯片既具有数字信号处理器卓越的数据处理能力，又像单片机那样具有适于控制的片内 外设及接口，因而又被称为“数字信号控制器”( d i 百t a ls i g n a lc o n 仃0 1 1 e r ，简称d s c ) 。 踟s 3 2 0 f 2 8 1 x 系列芯片的主要性能和功能框图如下： ( 1 ) 高性能静态c m o s 技术 1 5 0 m h z 时钟频率； 低功耗设计，1 3 5 m h z - i 作核心电压为1 8 v ； f l a s h 编程电压3 3 v 。 ( 2 ) 高性能c p u 1 6 位1 6 位和3 2 位3 2 位的乘和累加操作； 双1 6 位1 6 位的乘加单元( m a c ) ： 哈佛总线结构； 强大的操作能力； 迅速的中断响应和处理； 统一的存储器编程模式； 可达4 m 字的线性程序数据地址； 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 高效率代码，可同时兼容c c + + 和汇编语言； 与t m s 3 2 0 f 2 4 系列的处理器的代码兼容。 ( 3 ) 片上存储器 1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器； 两个4 k x1 6 位的单口随机存储器：l 0 和l 1 ； 一个8 k 1 6 位单口随机存储器：h 0 , 两个1 k 1 6 位的单口随机存储器：m 0 和m 1 。 引导r o m ( 4 k 1 6 位) 带有软件的引导模式； 标准的数学表。 ( 4 ) 外部接口 1 5 m x1 6 位的存储器； 可编程等待状态； 可编程读写选通计数器； 四个独立的片选端。 时钟和系统控制 支持动态锁相环倍率调整； 片上振荡器： 看门狗定时器模块。 三个外部中断。 ( 5 ) 外部中断扩展( p i e ) 模块 支持4 5 个外部中断。 3 个3 2 位c p u 定时器。 ( 6 ) 1 2 8 位密钥 保护f l a s h o t p 和l 0 l 1s a ra m ； 防止r o m 中程序被解密。 ( 7 ) 马达控制外设 两个事件管理器( e v a ，e v b ) ； 与2 4 0 x a 器件兼容。 ( 8 ) 串行接口外设 串行外设接口( s p i ) ； 大连理工大学硕士学位论文 两个串行通信接口( s c i ) ，标准的u a r t ； 增强型的局域网络控制器( e c a n ) ； 多通道缓冲串口( m c b s p ) 。 ( 9 ) 1 2 位a d c ，1 6 通道 2 个8 通道的输入多路转换器； 两个采样保持器； 单个双路同步采样； 高速通道转换率：8 0 n s 1 2 5 m s p s 。 最多可有5 6 个可编程的通用输入输出( g p i o ) 引脚 低功耗和节能模式 支持空闲模式、等待模式和挂起模式； 独立的停止外设的时钟。 工作温度范围a ：- 4 0 - + 8 5 摄氏度；s q 4 0 + 1 2 5 摄氏度。t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 功能 框图如图3 4 所示。 图3 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 x 功能框图 f i 9 3 4 b l o c kd i a g r a mo f t m s 3 2 0 f 2 81 xf u n c t i o n 本系统舳转换采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部a d c 模块，此模块是一个1 2 位、具有流 水线结构的模数转换器，内置了双采样保持器( s h ) ，可多路选择1 6 通道输入，快速转 换时间运行在2 5m h z 、或1 2 5 m ，输入电压范围o 3 v ，单次转换时间2 0 0 n s ，流水线转 换方式转换时间6 0 n s ，a d c 模块有两个独立的排序器，可以工作在双排序器工作模式或 者级联排序模式。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部的a d c 结构框图如图3 5 中的a d c i n o a d c i n l 5 大连理工大学硕士学位论文 为1 6 个模拟输入引脚，经排序器排序，由多路选择器选择出转换的通道，送入a i ) 转 换部分进行转换，转换结果存在结果寄存器r e s u i j t n 中。 图3 5 娜3 2 0 f 2 8 1 2a d c 模块的功能框图 f i 9 3 5 b l o c kd i a g r a mo f t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a d c 基于d s p 的测力台数据采集系统设计与实现 3 2 3 系统d s p 数据采集部分硬件电路设计 为了保证t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数据采集工作正常进行，需要为其提供稳定的1 8 v 和 3 3 v 电源，系统时钟，以及下载程序的j t a g 调试接口，同时为了系统的调试需要，也 需要为系统设计相应的调试信息接口和交互接口，系统中各部分电路的设计如图3 6 到 3 1 1 所示： 一n c i i i r e s e t +svln。nc： n c 7 s w+ s v ；l i e n l f b 黼 t一 一矗书， 妥i 蒜捌o u t 。i 孑：c c 。3 r 2 r e 岬s e t i o - 狮竖! ? 寺 一 叫秘2 一o 匠u t i g n d 图3 6 电源部分电路设计 f i g 3 6d e s i g no f p o w e rs u p p l yc i r c u i t 图3 7 系统时钟电路设计 f i g 3