基于EMIF接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 - 全文

　　近年來，隨著微控制器的發(fā)展，各類工業(yè)控制產(chǎn)品對現(xiàn)代數(shù)字控制器的需求也越來越大。這又反過來推動了現(xiàn)代大規(guī)模集成電路和微控制器的不斷發(fā)展，同時各類數(shù)字處理器的工作頻率也越來越快，例如TI公司的控制器TMS320C6000可達(dá)到200 MHz。而為了支持與各種外部存儲器之間的無縫對接，TMS320C6000系列處理芯片加入了外部存儲器接口(The External Memory InteRFace，EMIF)。本次設(shè)計主要是以TI公司的浮點核芯片TMS320C6713為主要控制器。

　　1 浮點DSP TMS320C6713簡介

　　TMS320C6713是一款高性能浮點DSP，其工作主頻可達(dá)200 MHz，其單指令執(zhí)行周期僅5 ns，具有強(qiáng)大的定點浮點運(yùn)算能力，運(yùn)算速度高達(dá)1 600MIPS/1 200MFLOPS。

　　TMS320C6713處理器由3個主要部分組成：CPU內(nèi)核、存儲器和外設(shè)。

　　CPU中包含8個功能單元，可以并行操作;有兩組寄存器，每組寄存器由16個32位寄存器組成。片內(nèi)程序存儲器的總線寬度為256 bit，每個周期可取8條32位指令。外設(shè)包括擴(kuò)展的直接存儲器訪問(EDMA)、低功耗、外部存儲器接口(EMIF)，串口、McBSP接口、IIC接口和定時器等。TMS320C6713功能框圖如圖1所示。

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　　從總體上歸納一下，TMS320C6713具有以下特點：

　　1)高性能浮點DSP，主頻高達(dá)200 MHz，運(yùn)算速度最高可達(dá)1600 MIPS;

　　2)超長指令字(VLIW)DSP核：8個獨(dú)立功能單元(6個累加器和2個乘法器)，32個32 bit的通用寄存器的存儲裝載結(jié)構(gòu)，可以大大縮減代碼的指令包;

　　3)L1/L2存儲器結(jié)構(gòu)：4 KB L1P程序緩存，4 KB L1D數(shù)據(jù)緩存：256 KB L2內(nèi)存：其中64 K字節(jié)可配置成緩存或存儲器，192 K字節(jié)統(tǒng)一映像內(nèi)存，可以靈活地定位為程序/數(shù)據(jù)空間;

　　4)32位外部存儲器接口(EMIF)：可配置異步存儲器接口，擴(kuò)展SRAM和E2PROM;可配置同步存儲器接口，可擴(kuò)展SDRAM和SBSRAM;可尋址512 MB外存空間;

　　5)16位的HPI接口，可訪問CPU的任意可尋址空間;

　　6)2個多通道緩存串口(McBSP);

　　7)2個I2C總線主/從模式接口;

　　8)內(nèi)置靈活的PLL鎖相時鐘電路;

　　9)支持1EEE-1149.1(JTAG)邊界掃描接口;10)16路GPIO接口。

　　與其他DSP相比較而言，TMS320C6713的主要優(yōu)點是運(yùn)行速度快、存儲配置方便、資源豐富，這些都給微控制器的設(shè)計帶來了很大的便利。

　　2 EMIF簡介

　　TMS320C6000的EMIF接口，即外部存儲器接口(The External Memory Interface)，支持各種外部器件的無縫接口，包括：流水線式同步猝發(fā)SRAM(SBSRAM);異步DRAM(SDRAM);異步器件，包括SIAM、ROM和FIFO等;外部共享存儲器。

　　簡單來說，EMIF接口就相當(dāng)于一個可配置的總線接口，其接口上面的信號線基本囊括了各種存儲器(SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等)的讀寫接口信號。通過軟件配置相應(yīng)的寄存器，可以使EMIF接口工作于和設(shè)計中使用的外部存儲器相匹配的固定的接口形式。但是與其他固定接口不同的是，EMIF接口讀寫時序中的高低電平的保持時間是可以通過寄存器設(shè)置的。

　　下面就本次設(shè)計使用的TMS320C6713為例詳細(xì)介紹一下EMIF。TMS320C6713的EMIF可以通過下面兩種請求器處理外部總線請求：片內(nèi)加強(qiáng)型直接存儲器存取EDMA控制器;外部共享存儲器的設(shè)備控制器。

　　圖2是TMS320C6713的EMIF接口信號示意圖。

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　　圖2中，ECLKIN信號是系統(tǒng)提供的一個外部時鐘源。ECLKOUT信號是由內(nèi)部產(chǎn)生(基于ECLKIN)，所有與本控制器EMIF接口對接的存儲器必須工作在ECLKOUT下。SBSRAM接口、SDRAM接口和異步接口的信號合并復(fù)用。這里的CE1片選空間支持所有的3種存儲器接口。

　　表1列出TMS320C6713的EMIF存儲器映射寄存器。通過設(shè)置這些寄存器，既可以將EMIF配置成為不同類型、不同位寬的總線接口，又可以配置總線讀寫時序的速度。由于EMIF接口的這一優(yōu)勢，設(shè)計者使用集成EMIF接口的控制芯片時，無論是擴(kuò)展外部存儲設(shè)備，還是利用EMIF接口進(jìn)行外部設(shè)備的讀取，其難度都大大降低。這在一定程度上也使得具有EMIF接口的高速控制核心(TMS320C6000系列的DSP)在將來能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。

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　　3 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　3.1 需求分析

　　本設(shè)計硬件任務(wù)主要是完成對主電路的電壓、電流的采集，具體的要求如表2所示。

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　　3.2 硬件設(shè)計

　　圖3所示是TMS320C6713外圍的主要的功能框圖。

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　　如圖3所示，本設(shè)計的外圍器件主要包括：雙口RAM，用于與定點核DSP芯片(如TMS320F2812)交換數(shù)據(jù);Boot Flash，當(dāng)程序的大小大于192 KB，用于存儲啟動程序;SDRAM，用作運(yùn)行部分程序的存儲介質(zhì);CPLD，用于邏輯擴(kuò)展;AD7865，用于采集電壓電流的實時數(shù)據(jù)。

　　AD7865是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部有1個2.4μs的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，4個跟蹤/保持放大器，內(nèi)部2.5V參考電壓，同時片上還集成有時鐘振蕩器和1個高速并行接口。AD7865可大大簡化硬件電路設(shè)計。AD574轉(zhuǎn)換時間為25μs，而AD7865完成四通道信號的同時轉(zhuǎn)換，則只需要100 μs。 AD7865內(nèi)部4個采樣通道的輸入信號是同步采樣的，只需發(fā)送1個脈沖的采樣啟動信號，芯片將自動完成采樣、逼近和存儲數(shù)據(jù)到片內(nèi)特定寄存器等工作，單路采樣速率350 KSPS，四路同時采集時100 kHz。

　　根據(jù)設(shè)計需求可設(shè)定調(diào)理電路放大倍數(shù)為2倍(反相放大)，則實際值與A/D的采樣值之間的關(guān)系可由式(1)表示。

　　實際值=采樣值/213x10/(-2)×傳感器系數(shù) (1)

　　若采樣值為正數(shù)時可用式(1)，否則需先進(jìn)行求補(bǔ)處理。

　　AD7865的前端調(diào)理電路如圖4所示。

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　　AD7865的外圍連接電路如圖5所示。

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　　TMS320C6713的EMIF接口各信號線可以根據(jù)EMIF接口的示意圖(圖2)連接。在這里需要注意的是各信號線的上拉、下拉和信號線上的限流等措施。可按照如下原則設(shè)計：1)地址線和數(shù)據(jù)線以及控制線出口處可以串聯(lián)33 Ω的電阻，以達(dá)到限流的效果;2)對于某些敏感信號(如片選/CEx信號，保有信號/HOLD等等)在默認(rèn)狀態(tài)下的電平，應(yīng)該通過上拉和下拉進(jìn)行確定。一般情況下，上拉電阻用10 kΩ的電阻，下拉電阻用1 kΩ的電阻。

　　CPLD的主要功能主要是實現(xiàn)邏輯擴(kuò)展，在本設(shè)計中，CPLD的主要工作是在DSP6713和多片AD7865芯片之間進(jìn)行信號的解析和傳遞。選用的CPLD芯片是ALTERA公司的EPM570，該芯片相較于其他同類型的CPLD而言，配置簡單、存儲容量大而價格較低廉。其外圍電路比較簡單，可以參考ALTERA公司關(guān)于該芯片的引腳功能表，在此不做贅述。

　　4 軟件實現(xiàn)與部分流程圖

　　4.1 EMIF接口的配置實現(xiàn)

　　TMS320C6713要實現(xiàn)EMIF接口數(shù)據(jù)讀取的首要條件是正確配置EMIF接口的寄存器，以達(dá)到設(shè)計的要求。

　　本設(shè)計將CE3作為外部AD的尋址空間，因此在這里主要需要配置的EMIF寄存器主要是全局控制寄存器GBLCTL和CE3空間控制寄存器。當(dāng)然，要正確地配置EMIF接口，必須要正確配置TMS320C6713的鎖相環(huán)(PLL)寄存器，在此處不具體說明。配置TMS320C6713的鎖相環(huán)(PLL)寄存器以后，就可以配置EMIF總線的幾個控制寄存器了。本設(shè)計中具體主要寄存器配置的幾個參數(shù)如下：

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　　本設(shè)計中采用的EMIF接口方式為32位異步接口(MTYPE=0010b)。雖然AD7865是14位MD轉(zhuǎn)換器，配置為16位寬的接口方式也可以了，但是實際上，由于內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時為了計算方便而采用了32位的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位寬通常為32位，在進(jìn)行外部讀取時，如果采用16位寬度，那么一次讀取總線為了匹配數(shù)據(jù)長度，將要發(fā)送連續(xù)讀取兩次的讀信號，這在一定程度上雖然加快了A/D讀取的速度，但在后續(xù)數(shù)據(jù)處理方面則需要更多的操作和更多的時間，所以權(quán)衡各因素，采用32位寬異步接口方式。

　　4.2 實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)

　　實際使用中，AD7865啟動轉(zhuǎn)換只需要給出片選和ADCONV信號。而它的讀取方式有兩種：

　　1)轉(zhuǎn)換過程中讀取數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)換一路讀取一路;

　　2)所有通道的信號均轉(zhuǎn)換完成后再順序讀取各通道數(shù)據(jù)。

　　兩種讀取方式的主要區(qū)別是：第1種讀取速度較快，但是時序要求較高，硬件連接復(fù)雜，增加軟硬件設(shè)計的難度;而第2種讀取速度相對較慢，但是時序要求不高，軟硬件設(shè)計也相對簡單?？紤]到系統(tǒng)的可靠性，同時CPLD完成時序的能力較差，故本設(shè)計采用了第2種讀取方式。

　　實際采用的A/D轉(zhuǎn)換和讀取的主要流程如圖6所示。

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　　5 測量結(jié)果

　　本文完成輔助控制器的設(shè)計后，對軟硬件進(jìn)行測試。

　　主要采用直流電源進(jìn)行測試，測試分為正向電壓、反向電壓(即認(rèn)為傳感器系數(shù)為1)。測試結(jié)果見表3。由表可知測試結(jié)果的誤差小于1%，完全符合設(shè)計要求。

　　6 結(jié)束語

　　由測量數(shù)據(jù)和控制器的計算結(jié)果可知，本設(shè)計完成了基于EMIF接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。由系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)誤差較小，可以滿足各類工程的需求。通過在線調(diào)試?？煽吹皆趯嶋H采樣過程中，采樣數(shù)據(jù)是在一個值附近波動，在某些對于數(shù)據(jù)的實時度需求不是很高，而對數(shù)據(jù)的精確度需求較高的場合，可通過求取某一段較短時間內(nèi)的采樣平均值的方法來提高數(shù)據(jù)的精度。而且，由于控制器選用性能較高的TMS320C6000系列DSP，其性能和資源還有很大的可利用率。系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)完成以后，可以高速高精度的進(jìn)行電力系統(tǒng)的參數(shù)計算，比如三相電壓/電流和相位、有功功率和無功功率、功率因素以及諧波分析等計算。