基于ADmC812和DSP的实时数据采集系统设计

摘 要： 本文提出了一种基于ADmC812和DSP的数据采集系统的设计方案。系统采用主从式设计，DSP 和ADmC812之间通过通用的SRAM实现数据的交换，可满足数据采集量大、运算复杂、实时性要求高的应用系统。
 
引言
      ADmC812是ADI公司的以8051(8052)内核为控制的新型微转换器。由于ADmC812内部集成了大量的外围设备。它本身就是一个完全可编程、自校准、高的数据采集系统，可以取代传统的MCU+A/D+ROM+RAM高成本、大体积产品，尤其是它的高和高速度A/D模块，特别适应于智能传感、瞬时获取、数据采集和各种通信系统。但是，对于需要采集数据量大、运算复杂、实时性又要求较高的场合，由于在结构和速度上的限制，往往是无法满足要求的。本文针对这种情况，提出了基于ADmC812和DSP的数据采集系统。在这个系统中，ADmC812作为主机，完成ADC、DAC、显示、键盘等功能，而DSP作从机，专注于复杂的数据运算，两者通过通用的SRAM实现数据的交换和通信。

ADmC812和TMS320F206简介
ADmC812微转换芯片
      ADmC812是具有16位计数/定时和32条可编程I/O接口的8051/8052微控制器，内置一个8通道、5ms转换时间、自校正、12位逐次逼近的ADC；2个12位DAC，10.5KB的闪存EEPROM，256字节的SRAM。还包括一些重要功能模块，如看门狗定时器和电源监控器，ADC与数据存储器之间的DMA方式，存储保护功能，一个通用异步串行收发器(UART)、SPI和I2C总线接口。
      ADmC812内丰富的外设，使它不需要外部总线扩展就可以组成一个完整数据采集系统，有很高的性价比。更值得注意的是在ADmC812内集成了8路12位高、自校准4ppm/℃的ADC电路。而且，当工作条件(如时钟频率、模拟输入范围、基准电压或电源电压)发生变化时，为了得到高的ADC结果，可以用软件对ADmC812内4个用于校正的特殊功能的寄存器设置，达到进一步校正ADC的目的。ADmC812通过设置ADCON1~3 三个特殊功能寄存器，可以使ADC工作于3种不同的模式，实现单次转换、连续转换和DMA模式的A/D转换，可以根据具体的需要选择，在DMA模式下，允许ADC在每次设置寄存器ADCCON1~3后连续采样，并将结果写入外部RAM中。这种自动捕获功能大大地方便了主从处理器之间的数据交换。
数字信号处理器TMS320F206
      TMS320F206(以下简称F206)是TI公司生产的TMS320C2000系列DSP之一。是继C2X和C5X之后推出的低价格高性能的16位定点DSP，由于它采用了改进的哈佛结构，具有分离的程序总线和数据总线，采用四级流水线作业，其运行速度可达40MIPS，具有高速运行的特点。同时提供丰富的指令集，增强的模块化结构设计，使它通用化得以提高，应用领域不断拓宽，现已成为单片机的理想替代品。F206片内有32K的闪速存储器，用户通过F206自带的、符合IEEE标准1149.1的JTAG接口，可以对程序进行仿真与调试，并将程序代码烧录到片内，极大地方便了用户的系统设计与程序调试。 
      TMS320F206提供直接存储器访问(DMA)功能，通过使用HOLD操作允许对外部程序、数据以及I/O空间进行直接存储器访问。该过程是由、两个信号控制。外部设备可以把引脚驱动到低电平，从而请求对外部总线的控制。如果中断线被允许，那么将触发中断。F206在相应中断时，软件逻辑可以使处理器发出应答信号，表示它将放弃对外部总线的控制。根据，外部地址信号(A15~A0)、数据信号(D15~D0)以及存储器控制信号(、、、、、、)被置为高阻状态，实现DMA功能。

系统硬件设计
      系统的硬件结构如图1所示，存贮器62256作为DSP的全局数据存储器，同时又是ADmC812的外部存储器，两控制器分别通过总线和数据存储器62256相连，实现存储器共享。为了保证两控制器能分别独立地工作。在ADmC812和62256之间插入了4片74HC245进行总线隔离。这样，在ADmC812的控制下，每一时刻只有一个控制器访问62256。图中62256作为ADmC812的外部存储器，A15为片选信号，地址范围为8000H~FFFFH；作为F206的全局数据存储器，用作片选线，使用高端32K字地址范围(8000H~FFFFH)。两片选信号经一与非门和62256的片选线CS2相连，实现片选信号的隔离。
      ADmC812通过P1.0、P3.2(INT0)分别和DSP的、XF脚相连，由P1.0向DSP申请总线控制，在DSP响应ADmC812的请求后，DSP的CPU被挂起，并出让外部总线。ADmC812通过A15打开总线驱动器，并经与非门后选中62256，获得62256的控制权，实现对62256的读写操作。而F206也可以通过向ADmC812请求中断，ADmC812在响应中断INT0后，进行相关事务的处理。另一方面，ADmC812通过读引脚的电平，可以确认F206是否被挂起；而通过对脚的控制，实现F206程序的分支转移，增加系统的灵活性。
      整个系统分为事务性模块和数据处理模块，ADmC812控制事务模块，进行数据的采集、LED显示、开关量的输入输出，模拟量的输出及串行通信等功能。F206控制数据处理模块，主要进行数据的处理，完成复杂的算法。另外，也可以根据数据处理结果直接处理一些重要的出口控制功能，以弥补ADmC812 I/O端口的不足，加快系统的反应速度。两个相对独立的功能模块通过62256进行数据交换。

系统软件设计
      由于系统的两个模块在功能上相对独立，相应的软件也包括两个主要模块，ADmC812在程序加载完成后，就进入程序正常运行。系统初始化后，首先通过P1.0向F206请求DMA操作，且得到响应后，ADmC812获得62256控制权。这时，通过配置3个特殊功能寄存器ADCCON1~3，可以使ADmC812工作在不同的模式下。其中在DMA模式下，ADC可以连续转换，并把采样值捕获到外部RAM空间而不需要来自微处理器的任何干预，由中断位ADCCON2.7表示DMA转换结束。在A/D转换结束且采样点达到预定的数量后，ADmC812就通过ADC中断，放弃对62256的控制并通知DSP进行数据处理。而后ADmC812进入显示、键功能、I/O操作、串口通信等事务性的工作。
     F206在接收到ADmC812的DMA请求后，进入到等待状态，并放弃对外部总线的控制权。62256通过ADmC812获得采样数据，当采样结束后，DSP从等待状态返回到正常运行状态并获得总线的控制权，进行数据处理，将运算结果放回62256。F206的DMA操作过程是：F206引脚/上获得一个有效的下降沿，当CPU转移到0002H地址单元，CPU从0002H地址单元提取中断矢量并进入中断服务程序，在对MODE=0进行成功的测试后，该中断服务程序就执行一个IDLE指令，使F206进入到等待状态。当检测到/脚上的一个上升沿后，CPU退出IDLE状态，并使外部总线返回其正常状态，执行数据处理程序。
      软件使用C语言设计，分别在两个开发系统上进行程序设计和调试。利用ADI公司提供的软件开发工具，能够快速高效地完成ADmC812应用程序的设计，并通过ADmC812的通用串行口在线调试和代码。F206用闻亭公司提供的TDS-510开发工具进行软件设计。将ADmC812和F206进行联机调试，完成整个软件的开发。

结语
      以上设计方案，适合于采集数据量大、算法复杂、有一定实时要求的应用领域。由于双CPU系统无需额外的附加双口RAM、FIFO及复杂的控制电路，降低了成本，简化了电路，也扩展了ADmC812的应用范围。

参考文献:

[1]. TMS320F206 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F206_17297.html.
[2]. A15 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/A15_1244519.html.
[3]. D15 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/D15_1092218.html.
[4]. 74HC245 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/74HC245_1811615.html.