摘要：介紹了以TMS320F2812" title="TMS320F2812">TMS320F2812和ADS8364" title="ADS8364">ADS8364為核心的智能節(jié)點" title="智能節(jié)點">智能節(jié)點設(shè)計，該節(jié)點不僅可以進行數(shù)據(jù)采集,，還可以實現(xiàn)闞值報警,、數(shù)字濾波、FFT變換等功能,。并詳細介紹了本設(shè)計的工作原理,、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：DSP,；CAN總線" title="CAN總線">CAN總線：智能節(jié)點
0 引言
在實際工程應(yīng)用中,，經(jīng)常需要對各種設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，首先要對各傳感器的信號進行采集,，為了減輕上位機的運算負(fù)荷,，設(shè)計了一種基于DSP的智能節(jié)點，主要用來實現(xiàn)信號采集和FFT變換等功能,。
1 硬件設(shè)計
智能節(jié)點的硬件主要包括DSP處理器,、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、擴展的靜態(tài)存儲器,、電平轉(zhuǎn)換芯片,、CAN接口驅(qū)動、光電耦合輸入和傳感器調(diào)理及電源電路等,。
DSP處理器選用TI公司的32位定點高速DSP芯片TMS320F2812,。TMS320F28X系列是當(dāng)今世界上最先進的32位定點DSP芯片。它不但運行速度高，處理功能強大,，并且具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備,，便于接口和模塊化設(shè)計。它既具有數(shù)字信號處理能力,，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能,，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，如工業(yè)自動化控制,、智能化儀器儀表及電機伺服控制系統(tǒng)等,。采用8級指令流水線，單周期32×32位MAC功能,，最高速度每秒中可執(zhí)行1．50億條指令(150MIPS),，保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外MS320F2812片上還集成了豐富的外部資源,，包括16路12位ADC,、16路PWM輸出、3個32位通用定時器,、128k的16位FLASH存儲器,、18kRAM存儲器，外圍中斷擴展模塊(PIE)可支持45個外圍中斷,，并具有McBSP,、SPI、SCI和擴展的CAN總線等接口,。TMS320F2812還支持最大1M的外部存儲器擴展,。TMS32 0F2812支持C／C++編程語言，其c語言優(yōu)化器的C編譯效率可達90％,，還有虛擬浮點數(shù)學(xué)函數(shù)庫提供支持,，可以大大縮短數(shù)學(xué)運算與控制程序的開發(fā)周期。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的ADS8364,，該芯片是一款6路模擬輸入,、16位并行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。6路模擬輸入分為三組(A,，B和C),，每個輸入端都有一個保持信號來實現(xiàn)所有通道的同時采樣與轉(zhuǎn)換功能，非常適合于多路(多種)采集系統(tǒng)的需要,。ADS8364提供了一個靈活的高速并行接口,，可以運行在直接尋址、循環(huán)采樣,、FIFO等三種模式,，每個通道的輸出數(shù)據(jù)都可直接作為一個16 bit的字，可以直接與數(shù)字信號處理器TMS320F2812相連。
由于數(shù)據(jù)采集和FFT變換需要大量數(shù)據(jù)空間,，而TMS320F2812片上只有18 k的RAM可供使用,，而且分布于5個不同的區(qū)域，不能滿足使用要求,，因此在外部又?jǐn)U展了一片64 k的16位無等待靜態(tài)存儲器IS61LV6416,。
本智能節(jié)點電路設(shè)計的關(guān)鍵部分是TMS320F2812芯片的最小系統(tǒng)設(shè)計和ADS8364的接口設(shè)計。
1．1 TMS320F2812的最小系統(tǒng)設(shè)計
(1)電源和復(fù)位部分：本設(shè)計采用外部5 V直流電壓供電,。通過DC／DC器件產(chǎn)生3．3 V的內(nèi)核電壓VDD和1．8 V的I／O電壓VDDIO電壓,。電源芯片TPS767D318為雙電源輸出，一路為3．3 V,、一路為1．8 V,。每路電源的最大輸出電流為1 A。芯片還提供兩個寬度為200 ms的低電平復(fù)位脈沖,。本設(shè)計的復(fù)位信號分兩種：上電復(fù)位,、手動復(fù)位。上電復(fù)位由芯片TPS767D318產(chǎn)生,，手動復(fù)位由電阻電容組成的電路產(chǎn)生,。
(2)時鐘部分：為DSP芯片提供時鐘一般有兩種方法。一種是采用晶體,，一種是采用外部有源時鐘芯片,。本設(shè)計采用前者。它利用了DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路,，在DSP芯片的x1和x2之間連接一晶體可啟動內(nèi)部振蕩器。
(3)仿真部分：這一部分將作為程序的調(diào)試和燒錄所用,。2812芯片提供了5個標(biāo)準(zhǔn)的JTAG信號(TRST,、TCK、TMS,、TDI,、TDO)和兩個仿真引腳(EMU0、EMU1),。
1．2 ADS8364的接口設(shè)計
ADS8364采用+5V模擬電源(AVDD)和數(shù)字電源(DVDD),，而其內(nèi)部的緩沖器采用與TMS320F2812相同的+3．3 V電壓。緩沖器電壓(BVDD)允許直接連接到3 V或5 V電壓系統(tǒng),。TMS320F2812的I／O電壓為+3．3 V,，因此，若使用該元件,，ADS8364的BVDD必須設(shè)置成3．3 V,。
在這個設(shè)計中，ADS8364采用的是4 MHz時鐘。每個通道的吞吐率最大可達200 ksps,。將ADS的地址線A[2：0]接到TMS320F2812的地址線,。當(dāng)A0接到數(shù)字地，A2和A1接到VCC上可迫使ADS8364進入周期模式,。在這個模式中,，轉(zhuǎn)換器可自動對6個通道進行采樣，并可將數(shù)據(jù)按從A0到C1的順序傳送到輸出端,。
將ADS8364的BYTE引腳接到VCC上,，可以使能字節(jié)模式。在這個模式中,，要從ADC中正確地讀取數(shù)據(jù),，需要對每個通道進行兩次連續(xù)的讀操作。第一次讀取的是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高位字節(jié),，第二次讀取的是低位字節(jié),。假如通道信息要作為數(shù)據(jù)輸出的一部分，那么,，應(yīng)將ADS8364的ADD引腳也接到VCC,。讀取數(shù)據(jù)時，需要對ADS8364的每個通道進行三次讀操作,。第一次讀取通道和數(shù)據(jù)信息,，后兩次分別讀取高位和低位數(shù)據(jù)。
1．3 ADC的初始化操作
觸發(fā)ADS8364的復(fù)位引腳RST可以確保讀指針指向第一個數(shù)據(jù)位置,。作為TMS320F2812初始化的一部分,，由TMS320F2812的通用輸入輸出口GPIOFO提供給ADS8364的引腳RST。當(dāng)系統(tǒng)時鐘穩(wěn)定后,，被觸發(fā)為低電平,，從而確保了從ADC輸出的數(shù)據(jù)對應(yīng)于通道A0、A1,、B0,、B1、C0,、C1的排列,。
對于每一個轉(zhuǎn)換通道，EOC均是低電平信號,。ADS8364可為TMS320F2812提供三個脈沖,。每個脈沖信號表明一個轉(zhuǎn)換的結(jié)束。當(dāng)ADC的這三個引腳同時置低時,，三個通道被認(rèn)為有效并同時進行轉(zhuǎn)換,。另外,，EOC引腳也可被連接到TMS320F2812的一個中斷引腳，以觸發(fā)一個讀周期,。
ADS8364的片選CS是一個有源低電平輸入信號,。當(dāng)CS為高時，并行輸出引腳處于高阻態(tài),。當(dāng)CS為低時,，并行數(shù)據(jù)線反映了輸出緩沖器的當(dāng)前狀態(tài)。為了正確地從ADS8364的并行數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù),，ADS8364必須被片選CS選中后才能進行讀操作,。
ADS8364的讀(RD)信號端也是有源低電平信號。當(dāng)CS為低時,，在讀信號(RD)的下降沿,，ADS8364中寄存器的內(nèi)容將被更新。這意味著在每個讀序列之前,，RD信號必須被觸發(fā),，這樣才能更新輸出緩沖器。通過TMS320F2812的中斷子程序?qū)DS8364的RD引腳置低可以保存輸入的數(shù)據(jù),，之后可再將RD引腳置高,。
2 軟件設(shè)計
在實際工作中，智能節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)或頻譜值發(fā)送到上位機進行存貯,、處理,。上位機通過CAN接口與智能節(jié)點通信。
智能節(jié)點的程序是在TI提供的開發(fā)工具Code Composer Studio上用C語言開發(fā),。在開發(fā)過程中,，使用了TI公司提供的C281×C／C++頭文件庫。該頭文件庫利用結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體的形式對F2812的各個寄存器進行了定義,，用戶可以通過C語言直接對處理器內(nèi)部的寄存器進行訪問,。
由于MS320F2812沒有獨立的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間，是統(tǒng)一編址的,，因此用戶首先要根據(jù)需要通過配置鏈接命令文件(．cmd文件)對存儲空問進行劃分,。
為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的FFT變換,，開發(fā)過程中還使用了TI公司提供的FFT函數(shù)庫,。FFT函數(shù)庫提供了32位復(fù)數(shù)FFT變換(CFFT32)和實數(shù)FFT變換(RFFT32)兩種模塊，可以進行128,、256,、512和1024點的復(fù)數(shù)和實數(shù)FFT變換。需要注意的是變換中所使用的數(shù)據(jù)是Qx格式,，因此對變換后的結(jié)果需要進行格式轉(zhuǎn)換才能得到真實數(shù)值,。
智能節(jié)點的主程序流程為：加電后,，程序先初始化，進入主循環(huán)后就不斷進行數(shù)據(jù)采集和閾值判斷,，如有收到上位機命令(CAN接口接收中斷)就轉(zhuǎn)入中斷處理程序,，根據(jù)上位機的不同命令選擇不同的處理方式。如采集到的數(shù)據(jù)超出閾值,，優(yōu)先向上位機發(fā)送報警信息,。
3 結(jié)束語
本文設(shè)計的智能節(jié)點已在多個監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)中得到應(yīng)用，實踐證明該模塊工作可靠,，能滿足工程中分布式數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測需要,。