基于TMS320F2812的双机高速数据采集与控制系统的设计

1、西安工程大学学报Journal of Xi an Polytechnic University第22卷第3期(总91期 2008年6月Vol. 22,No. 3(Sum. No. 91 文章编号:16712850X (2008 0320319205收稿日期:2007208203通讯作者:张龙(19752 , 男, 陕西省西安市人, 西安工程大学讲师, 西安电子科技大学在读博士. E 2mail :zhanglong741163. com基于TMS320F2812的双机高速数据采集与控制系统的设计张龙1,2, 王延年1, 司栋森2(1. 西安工程大学电子信息学院, 陕西西安710048;2. 西

2、安电子科技大学计算机学院, 710071摘要:提出了一种通过McBSP 接口互联的双处理器( 系结构, 其中一个DSP 、DSP 负责人机交互、远程通信与实时控制, . 以此并行计算机结构为核心, SVC 关键词:处理器; ; :A, 人们对测量、控制的精确性、实时性的要求也不断提高, 希望能精确地描述事物的运动过程, 对过程进行准确的测量与控制. 这样, 就需要对原始信号进行高速数据采集, 完成对大量数据的复杂运算1. DSP 技术的发展, 满足了这方面的需求, 而采用多个DSP 并行计算结构, 可实现单片DSP 难以实现的复杂功能2. 本文应用TMS320F2812, 设计了一种并行高速数

3、据采集与控制系统. 1系统设计1. 1系统的总体结构在进行高压SVC 装置的设计中, 高速信号采集、数字滤波、信号处理、FF T 运算、系统控制等工作需要实时并行完成, 采用单个DSP 难以实现精确控制, 必须采用多个DSP 并行工作, 对多通道高速AD 同步采样, 实现信号高速采集与系统的并行工作.系统总体结构如图1所示.1. 2高速数据采集、控制系统的功能在高压SVC 装置中, 需要对三相交流电的6路模拟信号(U ab , U bc , U ca , I a , I b , I c 进行高速、同步数据采集, 对各信号进行数字滤波, 对每周64个采样点进行多次FF T 计算, 根据计算结果查

4、表, 得到控制输出的参数, 根据该参数控制启动输出操作.在以上整个事件的处理中, 数据采集、运算与控制是并行完成的; 每一组采样点间总可用时间为320s , 信号采集时间为50s , 对每个通道的计算、查表时间为210s/6s , 占用系统总时间的80%; 在该系统中, 系统的控制过程与测量过程是同步进行的, 控制过程可能出现在2个连续的采样点间的任何时刻, 因此采集与控制过程产生时间冲突, 必须采用多DSP 的并行结构, 使两者能够并行执行. 图1系统的总体结构1. 3TMS320F2812的特点DSP 是20世纪90年代兴起的高速数据处理芯片, 由于其具有接口简单、编程方便, 精度高、速度

5、快、集成度高等突出的优点, 已经在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用3.TMS320F2812、高性能32位定点数字信号处理器, 它采用6级流水线结构, ,128kFlash 存储器, 内部有集成定时器、事件管理器、SPI 、SCI 、CAN 、AD 、嵌入式系统、在许多应用系统中, , 可以提高系统的运算速度, , . 根据实际应用要求的不同, 可以采用多种并行处理的互联方案, , 可采用DMA 通道控制、共享存储器等互连方式, , ; 对时间要求不太紧迫的系统, 可采用共享总线互连方式; 如果.选择何种互联方案主要取决于系统性能的需求, 在D

6、MA 或共享存储器的互连方法中, 数据存取速度较快, 能够实现DSP 之间的快速通信任务, 满足了快速和大量数据的要求, 但是它需要增加大量硬件接口的支持, 增加了系统的成本. 在通过串口互连方案中, 通讯速度显得慢了一些, 但在大多数情况下, 基本不需要增加硬件设备, 不增加任何附加成本, 系统互联的灵活性也会好一些. 因此, 在选择方案时, 通常没有最佳方案, 仅仅是满足性能要求的最优方案.1. 4基于McBSP 的双DSP 高速数据处理系统的结构McBSP 端口是TMS320F2812提供的多通道缓冲串行通讯接口, 有一个发送端口和一个接收端口, 可实现8,16位或32位数据通讯,McB

7、SP 接口有2个16级32位FIFO , 有128个通道分别用于发送和接收, 它可允许和中止每一个通道的通讯, 允许采用查询或中断方式发送或接收, 实现全双工的数据通讯, 通讯速度可达4Mbit/s.多个DSP 相连时, 可以通过McBSP 连接到一个串行时隙交换芯片, 采用时隙交换的方式进行数据交换; 数据收发以帧为单位进行, 每个发送帧分成n 个发送时隙, 不同的发送时隙对应不同的接收DSP. 采用这种方法实现多个DSP 的互联接口电路非常简单, 可以实现多个DSP 的全互连来实现并行处理.本系统采用双DSP 实现并行操作, 可以通过2个DSP 的McBSP 通道直接互连的方式实现双机通讯

8、, 不用外接任何外围芯片, 接口十分简洁、方便. 系统互连如图2所示. 2个DSP 采用流水线工作方式, 由信号采集DSP (DSP 2A 采集数据、滤波计算, 当算出一个有效的结果后, 及时地将结果送给处理控制DSP (DSP 2B , 由DSP 2B 根据计算结果产生相应的控制输出. 其中利用DSP 2B 的GPIOA 口与液晶模块连接, 进行对L CD 写操作和显示控制.由DSP 2A 的比较定时器产生5s 的定时HOLD 信号, 使能ADS8364进行数据采集, 即数据采集周期为5s. ADS8364的数据读出可采用直接地址读方式、FIFO 读方式、循环读方式, 因此可以与F2812的

9、接口至少有3种互连方案. 本采集系统选择直接地址读方式, 由XA 3:0作为变换结果寄存器低位地址, 选择当前通道的AD 转换结果对应的寄存器, 进行AD 采集数据的读取. 其中DSP 2A 的数据采集流程如 图2McBsp端口实现互连 图3DSP 2A 采集系软件流程图图3所示. 为了使DSP 2B 能及时响应DSP 2A 的请求,DSP 2B 的数据接收采用非屏蔽中断方式, 即在DSP 2A 发送完数据后, 通过GPIO 口向DSP 2B 发送一个非屏蔽请求信号(XIN T , 无论DSP 2B 正在处理哪个外设的请求, 都可以保证及时处理DSP 2A 发来的请求信号, 保证了系统控制的及

10、时性.1. 5高速信号采集电路的设计在该高速信号采集板中, 必须保证(1 , 要510s 采集一组点, 采样间隔可调. (2 样才能保证电压、电流同步, .选择TI 公司的ADS8364TI 公司新推出的高速、低功耗, , 采用+5V 工作电压, 并带有6个4s 连续近似的模数转换器6; 片上还带有+2. 5V 参考电压以及高速并行接口4. 当ADS8364采用5M Hz 的外部时钟来控制转换时, 它的取样率是250k Hz , 同时对应于4s 的最大吞吐率, 这样, 采样和转换共需花费20时钟周期. 另外, 当外部时钟采用5M Hz 时,ADS8364的转换时间是3. 2s , 对应的采集时

11、间是0. 8s. 为了得到最大的输出数据率, 读取数据可以在下一个转换期间进行. 图4ADS8364与DSP 的接口ADS8364的模拟输入可以是双极或全差分的,可接成单端输入或差分输入. 在采用单端输入时, -IN 端输入的是共模电压(CV , 而+IN 的输入范围为CV -VREF CV +VREF. 在选用差分方式输入时, 每个输入端的幅值分别是CV +1/2V REF 和CV -1/2V REF , 差分输入电压的峰2峰值为+VREF 和-VREF 5.ADS8364与DSP 的接口方案如图4所示.ADS8364的A 0、A 1、A 2接到高电平, 这时, 采样数据读取是采用FIFO

12、方式, 即当AD 转换完成时, EOC 产生一个外部中断信号, 由DSP 通过数据线依次读出6个通道的AD 数据; AD 的转换时钟接到DSP 的PWM1脚, 由DSP 的脉宽调制输出信号作为AD 的转换时钟, 这样,AD 的转换时钟可根据需要采用自适应调整方式来变化; 启动采样信号HOLD 由DSP 的T1PWM 控制, 用DSP 内部的定时器控制启动, 它可根据模拟信号周期T 的变化, 自适应的调节采样频率.SVC 调节器输入电压范围是单极性+10V 交流信号, 必须在前端用运放电路实现信号转换, 采用 图5数据采集前端模块OPA2227来实现转换, 原理图如图5所示.O PA2227是T

13、I 公司生产的高精度、低噪声运算放大器, 具有8M Hz 的带宽, 开环增益可达160dB , 偏置电压75V , 可应用于信号采集和通讯设备中8. 每路模拟量输入信号采用3个OPA2227, 其中U 1用来提高输入阻抗, 增强系统的抗干扰能力; U 3是跟随电路, 用来提供2. 5V 的参考电压; 用U 2来实现电平信号的转换; 电路中上拉电阻R 1R 6非常关键, 影响着输入信号的变换精度, 因此必须采用温漂较小精密电阻728.2DSP 高速信号采集软件优化设计方法在高速信号采集系统中, 软件的处理速度是系统设计中考虑的重要因素, 根据DSP 的特点优化程序设计非常重要.(1 核心算法的优

14、化问题在信号采集与处理中, 信号采集、FF 间最多的过程, , 考虑本身系统数据特点, ; 在算法设计中, 尽量直接得到最终结果, ; 在程序设计中, 尽可能引用前面的计算结果, , 而不用每次都由原始数据重头计算.(2 有六级流水线, 一条指令的执行速度为6. 67ns (150M Hz 时 , , 循环指令、跳转指令、写后的读操作、对接口的写然后读(状态 、, 他们或者影响程序的执行速度, 或者会带来执行结果的错误, 甚至带来系统死机, 必须设法化解这些相关, 必要时可在这些指令之间增加一些空操作, 保证前一条指令执行完后才发出下一条指令.DSP 内部的指令执行速度很快, 大部分存储器、外

15、设达不到这么高的存取速度, 程序设计中必须考虑它们之间的时间延时. 对每部分设备增加不同的等待延时.(3 尽量采用定点运算提高运算速度TMS320F2812是定点32位CPU , 对浮点数比较、运算都是采用软件方法来实现的, 运算速度较慢, 由AD 得到的数据是定点数据, 所以大部分运算都可以由定点运算来实现, 尽量避免用浮点运算, 这样可以大大提高运算的速度.3结束语用McBSP 通道实现双DSP 耦合互联, 适合于本设计中通讯数据少、控制要求精确的特点, 节省外部接口电路; 采用16位高精度高速同步采样AD , 实现对6路电压、电流信号高速同步采样, 由此设计的高压SVC 装置性能良好.参

16、考文献:1赖晓斌, 胡泽, 余永辉. 基于DSP 的数据采集系统开发J.电子元器件应用,2006(2 :88289.2赖晓斌, 胡泽, 余永辉. 基于双DSP 的信号处理板的设计及其在SAR 信号仿真中的应用J.微计算机信息,2006,22(7 :1592160.3张雄伟, 曹铁通. DSP 芯片的原理与开发应用M .2版. 北京:电子工业出版社, 2000:1052150.4吴跃民, 刘荣. ADS8364在高精度数据采集中系统的应用J.电子质量,2005(1 :327.5High Precision , Low Noise Operational Amplifiers. SBOS110A

17、Texas Instruments. 2005211207(2007205221 ht 2tp :/focus. ti. com/docs/prod/folders/print/opa4227. html.6王忠友. 高精度AD 芯片ADS8364在生理信号数据采集中的应用J.世界电子元件,2004(3 :428.7刘书明, 聂丽斌. ADS8364原理及应用J.国外电子原器件,2002(10 :528.223西安工程大学学报第22 卷8ADS8364Technical Document. SBAS219B Texas Instruments. 2004211207(2007209221 ht

18、tp :/focus. ti. com/docs/prod/folders/print/ads8364. htmlDesign of high 2speed data acquisition and controlsystem based on double TMS 320F 2812Z H A N G L ong 1, 2, W A N G Yan 2ni an 1, S I Dong 2sen 2(1. School of Electronics &Information , Xi an Polytechnic University , Xi an 710048,China ;2. Com

19、puter College ,Xidian University , Xi an 710071,China Abstract :A parallel cont rol system is brought forward based on McBSP interface. In two DSPs st ruc 2t ure , one is for signal p rocessing ,it f ulfils signal sample , filter , iterative count. Anot her one is for real time cont rol , man 2machi

20、ne exchange and long distance communication. The system p ability can be enhanced in two DSPs st ruct ure. It is used in SVC processing system.K ey w ords :DSP ; parallel comp utation ; real time data p rocessing:武晖专利名称:专利申请号:3公开号:CN1924150申请日:20062220公开日:2007203207申请人:广东溢达纺织有限公司本发明公开了一种新型的纱线染色流程, 其中纱线在染色用筒管中染色后经脱水烘干后直接进行整经或织造, 省除了脱水烘干后的络筒步骤。一