基于DSP芯片TMS320LF2407A和EPM570T100C5N实现多路数据采集系统设计
用于实时控制系统的嵌入式系统经常需要对模拟量进行测量，通常的方法是以mcu为主产生采集控制时序控制模数转换器，并通过中断或查询的方式读取转换后的结果。由mcu产生采集控制时序将占用较多的系统软硬件资源。而在一般复杂的多路信号测控系统中，mcu需要进行数据存储，通讯，数据处理等多项工作，如果再需要其频繁地产生模数转换控制器的控制时序，将会影响系统的性能，严重时将会成为系统的瓶颈。本文采用cpld产生a／d转换器的控制时序，使得cpld主要实现a／d时序控制的功能，dsp主要实现闭环控制算法的功能。
1 系统总体结构
系统以dsp和cpld为核心，模拟信号从模拟多路开关cd4067接人，利用cpld进行使能其输入。使用dsp的gpio口作为模拟多路开关的通道号的选择。a／d转换器使用maxim公司的max194，其控制时序由cpld产生。当a／d转换结束后，将会产生一个eoc信号，该信号作为lf2407的外部中断，当dsp接收到该转换结束信号，进入相应的外部中断程序，使用spi总线来接收a／d转换的数字值，并进行相应的处理。系统的总体结构图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 主控dsp芯片tms320lf2407a
系统的主控制器采用了tms320lf2407a，3.3 v静态cmos工艺，40 mips，具有16位地址总线，16位数据总线，3个独立的存储空间，包括可用的64 kb程序空间，35.5 kb数据空间以及64 kb的i／o空间。访问不同的存储空间时，dsp有相应的引脚作为选通信号，ps对应程序空间，ds对应数据空间，is对应io空间，均为低电平有效。本系统将max194 a／d转换器映射到i／o空间0000h-7fffh，其使能的逻辑表达式为：cs=a15+is。多路模拟开关映射到i／o空间的8000h-ffffh，其使能逻辑表达式为：cs=a15+is。式中is是i／o空间选通信号线。
tms320lf2407a的内部具有32 kb flash程序存储器，2.5 kb ram数据存储器。flash可满足dsp系统程序存储的需要，而2.5 kb的数据存储器可能不够。而且研发阶段一般将程序写在ram上，所以设计选用了cypress semiconductor公司的cy7c1021v33的sram，该sram为64 kb，设计中设定0000h-7ffffh为程序空间，8000h-ffffh为数据空间。外扩sram的逻辑表达式为：cs=（a15+ps+ds）（a15+ps+ds）。式中cs是sram的片选信号线，a15是dsp的第16根地址线，ps是程序空间选通信号线，ds是数据空间选通信号线。
2.2 模数转换模块max194
tms320lf2407a芯片内置16通道a／d转换器，但是只能输入单极性电压，只有10位的分辨率，精度很不理想，所以需要外扩a／d转换芯片。经过多方比较，笔者选用了maxim公司的maxl94芯片，它是一种逐渐次比较型的模数转换器，具有高精度，低功耗等特点。max194的内部设有校准电路，用于保证全温度范围内的线性度，且不需要外部的调整电路。分开的模拟和数字供电，最大限度地减少了数字耦合噪声。其主要特征有：14位分辨率，1／2 lsb非线性度，82 db的信噪比，低功耗，单极性或双极性输入，三态串行输出。
max194具有两种接口模式：同步模式和异步模式。同步模式：max194在转换过程中，每转换完一个，数据位就输出一位。此时，sclk应该接地，clk即作为adc的转换时钟又作为串行接口的移位输出时钟。异步模式：dsp只能在max194完成一次转换之后才能将转换结果读出，然后启动下一次的转换。这种模式降低了max194连续转换的速度。
使用cpld来控制max194，可以方便地控制max194工作在同步或者异步状态，而不需要对硬件电路做任何改动，仅需要修改cpld中的程序即可。本设计将max194设定在异步工作模式下，max194异步模式时序图如图2所示。
根据图2所示的时序图，将采样控制过程分成了4个状态：
（1）初始状态：max194采样控制信号初始化，各采样控制状态置零。
（2）启动采样状态：将max194的启动转换信号start置低并保持至少两个clk周期。
（3）转换结束状态：将max194的启动信号start置高并检测转换结束状态信号eoc，当它由高电平变成低电平时即表示转换已经结束。因此，这个状态与上个状态一样是看eoc信号是否有变化，若是有变化，则转到下个状态，若是没有变化，则将一直在这个状态中循环，直到eoc信号有变化为止。
（4）转换结果输出状态：将max194的芯片使能信号cs置低，dsp通过spi口将a／d转换得到的数据传人dsp中。
根据以上工作状态的描述，使用了vhdl语言编写了a／d转换采样控制模块的程序，并进行了仿真，仿真结果如图3所示。从仿真图中看出设计的a／d转换控制模块是完全符合设计要求的。
3 软件设计
tms320lf2407a是基于c2000平台的，提供两种编程语言：c／c+十语言或汇编语言。其中，c语言编写的程序可读性、可移植性强，且大大缩短了开发周期，但执行效率低，程序出错时不易诊断。汇编语言程序效率高，但编写比较繁琐。通常做法是程序核心部分（即经常调用部分）采用汇编语言编写，以提高整个系统的执行效率，对实时性要求不高的部分采用c语言编写以降低程序的复杂度，提高程序的可读性和可修改性。本文采用c语言和汇编语言混合编写的多文件结构，主要包括主程序、读取a／d转换结果的中断程序的设计。
软件流程如图4所示。主要分成三部分：spi配置部分，模拟开关控制部分，a／d转换控制和转换结果的读取。
3.1 spi配置部分
对于lf2407a，串行spi外设接口有9个寄存器，用于控制其操作。在本设计中将lf2407a的spi接口设定在主模式下，在该模式下，采用主控制器发送伪数据，从控制器发送数据。主控制器可在任何时刻启动数据传送，因为它控制着spiclk信号。但软件决定了主控制器如何检测从控制器何时准备发送数据。spi接口模块的初始化程序如下：
3.2 模拟多路开关选通部分
由于多路模拟开关映射到dsp的i／o空间中的0x8000-0xffff之间，所以在dsp程序中，对0x8000-0xffff之间进行一个读操作，由dsp的gpio选择的通道就被选通，信号由cd4067输出到a／d转换器maxl94。
读地址产生的低电平信号cs的保持时间由访问i／o空间的等待时间决定的，通过设置等待状态寄存器来保证获得有效的延时时间。
3.3 max194转换控制部分
由于a／d映射dsp的i／o空间的0x0000～0x7fff之间，类似于模拟多路开关，也需要对该空间进行一个读操作。
4 结语
多路数据采集系统在嵌入式测控系统中具有很强的实用价值。本文设计了一个基于tms320lf2407a与epm570t100c5n的max194的多通道采集系统，详细描述了max194，cpld与dsp之间的硬件与软件设计，该系统在笔者参与的嵌入式测量控制系统中得到了成功的应用。
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1 系统总体结构
系统以dsp和cpld为核心，模拟信号从模拟多路开关cd4067接人，利用cpld进行使能其输入。使用dsp的gpio口作为模拟多路开关的通道号的选择。a／d转换器使用maxim公司的max194，其控制时序由cpld产生。当a／d转换结束后，将会产生一个eoc信号，该信号作为lf2407的外部中断，当dsp接收到该转换结束信号，进入相应的外部中断程序，使用spi总线来接收a／d转换的数字值，并进行相应的处理。系统的总体结构图如图1所示。
2 硬件设计
2.1 主控dsp芯片tms320lf2407a
系统的主控制器采用了tms320lf2407a，3.3 v静态cmos工艺，40 mips，具有16位地址总线，16位数据总线，3个独立的存储空间，包括可用的64 kb程序空间，35.5 kb数据空间以及64 kb的i／o空间。访问不同的存储空间时，dsp有相应的引脚作为选通信号，ps对应程序空间，ds对应数据空间，is对应io空间，均为低电平有效。本系统将max194 a／d转换器映射到i／o空间0000h-7fffh，其使能的逻辑表达式为：cs=a15+is。多路模拟开关映射到i／o空间的8000h-ffffh，其使能逻辑表达式为：cs=a15+is。式中is是i／o空间选通信号线。
tms320lf2407a的内部具有32 kb flash程序存储器，2.5 kb ram数据存储器。flash可满足dsp系统程序存储的需要，而2.5 kb的数据存储器可能不够。而且研发阶段一般将程序写在ram上，所以设计选用了cypress semiconductor公司的cy7c1021v33的sram，该sram为64 kb，设计中设定0000h-7ffffh为程序空间，8000h-ffffh为数据空间。外扩sram的逻辑表达式为：cs=（a15+ps+ds）（a15+ps+ds）。式中cs是sram的片选信号线，a15是dsp的第16根地址线，ps是程序空间选通信号线，ds是数据空间选通信号线。
2.2 模数转换模块max194
tms320lf2407a芯片内置16通道a／d转换器，但是只能输入单极性电压，只有10位的分辨率，精度很不理想，所以需要外扩a／d转换芯片。经过多方比较，笔者选用了maxim公司的maxl94芯片，它是一种逐渐次比较型的模数转换器，具有高精度，低功耗等特点。max194的内部设有校准电路，用于保证全温度范围内的线性度，且不需要外部的调整电路。分开的模拟和数字供电，最大限度地减少了数字耦合噪声。其主要特征有：14位分辨率，1／2 lsb非线性度，82 db的信噪比，低功耗，单极性或双极性输入，三态串行输出。
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使用cpld来控制max194，可以方便地控制max194工作在同步或者异步状态，而不需要对硬件电路做任何改动，仅需要修改cpld中的程序即可。本设计将max194设定在异步工作模式下，max194异步模式时序图如图2所示。
根据图2所示的时序图，将采样控制过程分成了4个状态：
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4 结语
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