基于 TMS320F2812 的数据采集及处理系统

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作者：烟台大学光电信息学院李同彩陈计信时间：2007-01-26来源：《世界电子元器件》收藏

前言

数据采集及处理系统在众多领域均有广泛的应用，其主要功能是把外界模拟信号的电压参量经过a/d转换器，转换成数字量，并把转换结果存储以便分析处理。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/21050.htm

本系统采用ti 的dsp 芯片tms320f2812 作为信号采集和处理的核心，通过片上自带的12位adc进行采集。采集后的数据暂时存储在片内存储器中，通过串行异步通信接口sci 传输到微机，微机将以文件形式存储采样数据。数字处理部分主要是进行简单的窄带滤波。考虑到采样器件可能和微机有较远距离（但< 1200m），在sci和微机间采用了rs-422传输协议。

tms320f2812介绍

目前应用最多的是德州仪器公司的tms320系列和摩托罗拉公司的dsp56000和dsp96000系列。tms320f28系列芯片是ti最新推出的dsp芯片，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如数据采集，工业自动化控制，电力电子技术应用，智能化仪器仪表及电机，马达伺服控制系统等。其主要特点有：

采用高性能的静态cmos技术，能在一个周期内完成32*32位的乘法累加运算，或者两个16*16位的乘法累加运算；时钟频率最高可达150mhz即6.67ns的指令周期，外部采用低频时钟、通过片内锁相环倍频，低功耗设计，flash 编程电压为3.3伏特。

16通道的12位模数转换器（adc）含两路采样保持器，一个转换单元，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80ns.片上含两个事件管理单元（eva，evb），设计用于pwm输出，转速测量、脉宽测量等。通讯接口，含2 个通用异步串口（sci）；2个通用同步串口(spi)，1个can总线接口（ecan），2个mcbsp串口（mcbsp），56个独立配置的通用多功能i/o(gpio)。

tms320f2812应用的大量外设接口简化了电路设计。同时，它提供了足够的处理能力，使一些复杂实时控制算法的应用成为可能。

片内外设adc

tms320f2812 的adc模块是一个12位分辨率的，具有流水线结构的模数转换器，(流水线adc也称作分级型adc)是这三种结构（现代模数转换器（adc）设计最常用的结构分为逐次逼近（sar）型adc、 - adc和流水线adc三种）中能超过100 msps最高采样速率（但精度最低）的adc，这种流水线结构的adc分辨率通常最高仅能达到14 bit。tms320f2812内置双采样保持电路，保持数据采集时窗口有独立的预定标控制。并且允许系统对同一通道转换多次，允许用户执行过采样算法，这较传统的单一转换结果增加了更多的解决方案，有利于提高采样的精度。有多个触发源可以启动adc 转换。快速的转换时间， adc 时钟可以配置为25mhz，最高采样带宽为12.5msps。用tms320f2812 搭建数据采集系统时，不必外接adc，避免了复杂的硬件设计。由于此adc可以直接对0-3v电压范围采样，也可以经过信号调理后对峰峰值不超过3v的双极性模拟信号进行采样。先把被测信号用示波器或其他方法判断其极性和幅值范围。若为单极性信号则断开偏置电路，双极性时连接到电路上调节电压范围到0-3v。为测试片上adc的线性，实验中主要是对几个电平信号进行采样，把adc 采集的结果在程序中计算其对应的模拟量，并且同时用数字万用表测量，计算adc 的线性和精度。实验数据如表1所示。

由上表所得adc的线性曲线如图1所示：

采集0-3v的信号时（d 为采集的数字量 adclo）计算公式为：
v=3(d-adclo)/(2power12-1)

采集峰峰值3v的双极性信号时，需要连接偏置电路。首先不加入信号直接测出偏置电压的数字量为dv,则实际的信号与采集的数字量的关系为：
v=3(d-dv)/(2power12-1)

数字信号处理

数字信号处理之所以发展得这样快，应用得这么广，是与它的突出优点分不开的。归纳起来，有以下四个方面的优点:

（1）精度高。模拟系统的精度主要取决于元器件的精度，一般模拟器件的精度达到10-3，己很不容易。而数字系统的精度主要取决于字长，16位的字长可达10-4以上。

（2）灵活性大。模拟信号装置一旦参数选定就不易改变，但是数字系统则不然，它的系数可调，甚至还可以具有可编程和自适应的能力。

（3）可靠性高。由于数字系统只有“0” 、“1”两个电平，其受温度、环境以及噪声等的影响比模拟系统小。

（4）时分复用。利用一套装置同时处理几个通道的信号。

与pc的通信

串行通信接口sci是采用双向通信的的异步串行通信接口，即通常所说的uart口。为减少串口通信时的cpu开销，tms320f2812的串口支持16级接收和发送fifo。sci模块采用标准非归0 数据格式，可以与cpu或其他通信数据格式兼容的异步外设进行数字通信。当不使用fifo时，sci接收器和发送器采用双级缓冲传送数据，sci接收器和发送器有自己独立的使能和中断位，可以在半双工通信中进行独立的操作，或者在全双工模式下同时操作。为了确保数据的完整性，sci模块对接收到的数据进行中断检测、极性、超限和祯错误检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，可配置不同的sci通信速率。tms320f2812支持自动波特率检测逻辑。发送和接收可采用中断和查询两种方式。

由于tms320f2812片内存储空间相对较小，难以做到长时间连续采集。本系统将采集的结果暂时存储在dsp 的片内数据区，再用微机的串口rs-232 实现与dsp 的电平匹配，同时实现全双工通信。为增大传输距离，在这中间又加两片max3490（两片max3490 之间电压很高，可以传输相当长的距离）。实验所需的电路原理如图2所示：

软件部分

dsp 的编程工具有c 语言和汇编语言两种。一般实时性要求不是特别高的场合，采用c语言编程完全可以满足要求。对于高速实时应用，采用c语言和汇编语言混合编程的方法，能把c语言的优点和汇编语言的高效率有机结合起来。本文涉及的关键程序和相应的流程图如下：

eallow;
sysctrlregs.hispcp.all=03;
edis;
adcregs.adctrl3.bit.adcbgrfdn = 0x3;
adcregs.adctrl3.bit.adcpwdn = 1;
// initadc();
//采样窗口大小设置寄存器
adcregs.adctrl1.bit.acq_ps=0xf;
//内核时钟分频器
adcregs.adctrl3.bit.adcclkps=0x1;
//级联排序器工作方式
adcregs.adctrl1.bit.seq_casc=1;
adcregs.adcmaxconv.all=0x0001;
adcregs.adcchselseq1.all=0x0011;
adcregs.adctrl1.bit.cont_run=1;
//初始化串行通信模块sci寄存器
eallow;
gpiomuxregs.gpfmux.all=0xffff;
gpiomuxregs.gpgmux.all=0xffff;
edis;
sra.sciccr.all=0x0007;
srb.sciccr.all=0x0007;
sra.scictl1.all=0x0003;
srb.scictl1.all=0x0003;
sra.scictl2.bit .rxbkintena=1;
srb.scictl2.bit .txintena=1;
窄带滤波：
for(k=0;k<=l-1;k++)
{
wf=(2*pi*k)/l;
re=0.0;
im=0.0;
for(i=0;i {
re=re+h[i]*cos((float)i*wf);
im=im+h[i]*sin((float)i*wf);
}
d[k]=sqrt(pow(re,2)+pow(im,2)); /*求模(幅度)*/
//db[k]=20.0*log10(d); /*转换为对数表示形式*/
实际采集到的一个波形为：