宽带阻抗测量仪的设计——微处理器电路设计（一）

微处理器电路主要完成通信、数据处理、功能控制、人机交互等工作。主要由TMS320F2812、晶体振荡器、电源控制、WATCHDOG等器件组成。其中晶体振荡器、电源控制和WATCHDOG是TMS320F2812能够正常运行的保证；DSP芯片配合完成各种控制任务。

5.1微处理器的选择

目前，应用于工业控制系统的微处理器主要有单片机、DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）和ARM（Advanced RISC Machines，高级精简指令集处理器）。

单片机的价格低廉，但性能较低、处理速度较慢，适用于对速度要求不高并且任务简单控制系统中。

ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）微处理器，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。精简指令使微控制器的线路可以尽量优化，硬件结构更加简单，从而可以实现较低的成本和功耗。由于应用ARM的所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行，可以有效地缩短应用程序开发与测试的时间，也降低了研发费用。目前ARM在电子消费类产品中应用较多。

ARM处理器具有比较强的事务管理功能，可以用来运行界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制以及低功耗方面。DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。DSP控制器的主要特点包括：

1.哈佛体系结构 哈佛结构是不同于传统的冯诺依曼结构的并行体系结构，这是DSP控制器的最大特色。哈佛结构中，由于数据和程序存储器在两个分开的空间中，每个存储器独立编址，独立访问，并相应设置了程序总线和数据总线两条总线，因此取指和执行能完全重叠进行，使数据的吞吐率提高了一倍。

2.流水线操作 与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用多级流水线，取指、译码、执行和数据存储的操作可以并行、独立地处理，这可使指令执行能完全重叠，从而大大提高了处理器的处理速度。

3.内置专用的硬件乘法器 DSP芯片有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成，这可以大大缩短数据处理算法中的乘法运算时间。这对于阻抗测量系统的设计来说非常重要，因为在装置软件中，对数据的处理算法中就有很多会用到大量的乘法运算。若能缩短每条乘法指令的运算时间，就可以大大节省程序运行时间。

在阻抗测量领域中，对主控制器的要求主要体现在运算速度、数据处理能力以及复杂算法的实现能力等，而对事务管理能力及低功耗的要求并不高。综合考虑阻抗测量对主控制器的要求以及上述各控制器的特点，选用DSP作为主控制器。

当今世界上，生产DSP控制器的大公司主要有TI公司（Texas Instruments Incorporated，德州仪器公司），AD公司（Analog Device Incorporated，模拟器件公司）、MOTOROLA公司等。

在众多的DSP生产公司，本文选用了TI公司的DSP作为主控制器。选择该公司的产品主要基于以下几点考虑：

1.TI公司的DSP控制器种类齐全，并且该公司的DSP控制器属于通用型DSP控制器，与单片机相比，具有更加适合于数字信号处理的软件和更丰富的硬件资源；与其它公司的专用型DSP控制器相比，应用更加广泛。

2.TI公司的DSP控制器每个系列的不同型号之间虽然外设可能变化很大，但在代码上却是继承的，这样利于用户根据需要来改变自己的方案。

3.TI公司是世界上最大的DSP控制器供应商，其DSP市场份额约占全世界份额的50%，在中国市场上，其份额占到了70%；TI公司的DSP在中国市场上的技术支持、服务及应用情况都占绝对优势。

现在TI公司主要推出的产品包括三种DSP系列[29]，它们是TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。其中，TMS320C5000和TMS320C6000系列都集成了高性能的CPU，其目标是适用于大量存储器和高级语言的微机系统以及嵌入式系统中。而TMS320C2000系列不集成高性能的CPU，而把许多其它功能，例如A/D、FLASH、定时器、CAN控制器、SPI接口、SCI接口、PWM等集成在一个芯片上。这种芯片外部扩展能力较弱，一般用于实时控制系统中。

阻抗测量系统属于实时控制系统，基于阻抗测量的算法，处理速度以及成本的考虑，此次设计采用TI的TMS320C2000作为主控制器。

TMS320C2000中主要有TMS320C/F28x和TMS320C/（L）F24x两个子系列。其中TMS320F28x是继TMS320F24x之后出现的一种低价格、高性能的32位定点DSP芯片。它是在TMS320F28x为内核的基础上扩展了相应的存储器并集成了大量的片内外设而成的新一代适用于工业控制的DSP芯片。TMS320F2812就是其中的一种。

TMS320F2812中采用了多总线的哈佛结构，这样就使总线操作时序分为取指令、指令译码、取操作数和执行指令四个独立阶段并行处理，从而极大地加快了微处理器芯片的处理速度。其中内部地址总线分为3条，即程序地址总线（PAB）、数据读地址总线（DRAB）和数据写地址总线（DWAR）；内部数据总线也对应分为3条，即程序读数据总线（PRDB）、数据读数据总线（DRDB）及数据程序写数据总线（DWDB）。而外部数据总线（XD，16位）和地址总线（XA，19位）仍为单一形式，这使得众多的外围芯片可与其兼容。

与多组总线形式的哈佛结构相关，在TMS320F2812处理器中采用了流水线操作以减少指令执行时间，允许DSP同时进行程序指令和存储数据的访问，从而增强了处理器的处理能力。在TMS320F2812中采用了八级逻辑流水线，也就是说，处理器可以并行处理多条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段，从而实现了一种并行处理的机制。同时，TMS320F2812还具有专门针对片上Flash存储器的Flash流水线模式，能显著提高指令从Flash中执行的速度。

TMS320F2812具有低功耗的特点，它采用静态CMOS工艺，芯片供电电压为1.8V（内核）、3.3V（I/O），相比于采用5V工作电压的系统，它的功耗可降低很多。

TMS320F2812片内有多种形式的存储器及多个不同的存储空间。采用程序与数据存储器统一编址的存储体组织形式，为用户分配存储器提供了很大的灵活性。TMS320F2812提供了外部存储器接口，可扩展1M的外部存储器。由于TMS320F2812本身具有非常大的Flash，所以一般不必外扩ROM，外部RAM可以根据需要进行扩充。