1、 汉口学院学士学位 毕业论文 论文题目： 基于 DSP 的数据采集系统设计 学生姓名： 吴弘立 学 号： 2009913059 专业名称： 电信学院通信工程专业 指导教师姓名： 朱纯兵 指导教师职称： 副教授 二 0 一三 年 月 日 汉口学院学士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 吴弘立 日期： 2013 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障
2、、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在 _年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“”） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 目录 1、引言 . 5 2. 系统分析 . 7 3、 系统硬件设计结构 . 8 3.1 A/D 转换器 . 8 3.2 数字信号处理器 . 8 3.3 通信接口设计
3、 . 9 4、 模拟量采集及 A/D 转换 .10 4.1 温度信号调理 .10 4.2 MAX1200 . 11 4.3 MAX1200 与 TMS320F240 的连接 .15 5、 DSP 核心模块 .16 5.1 TMS320F240 芯片 .16 5.1.1 TMS320F240 内核 .16 5.1.2 FLASH/ROM 存储模块 .17 5.1.3 I/O 空间模块 .17 5.1.4 外部存储器接口 模块 .19 5.1.5 PLL 时钟模块 .20 5.1.6 事件管理器模块 .21 5.1.7 A/D 转换模块 .22 5.1.8 串行通信接口（ SCI）模块 .23 5
4、.2 TMS320F240 的基准电源 .24 6 接口电路设计 .27 6.1 接口器件 .27 6.1.1 MAX485 收发器 .27 6.1.2 UT850 接口转换器 .28 6.2 接口电路连接 .30 7. 系统功能扩展及一般采集系统设计 .31 内容摘要： 基于 DSP 的数据采集系统首先是对模拟信号进行采集，把模拟信号转换为数字信号，再通过 DSP 对数字信号进行处理的技术。 DSP 是一种单片机，随着 DSP 的集成度越来越高，功能越来越强大， DSP 与单片机之间的界限也越来越模糊，它的应用领域也越来越广泛，但是它的根本作用仍然是连接模拟世界和数字世界的桥梁。 关键词：
5、数字信号处理器 模数转换器 接口转换器 TMS320F240 MAX1200 MAX485 异步串行通信 Abstract:The data acquisition system which based on DSP is collecting analog signals ,converting analog signals to digital signals and processing digital signals.DSP is a single chip microcomputer.With the integration of DSP is higher and higher ,
6、the function is more and more powerful,the line between DSP and single chip is being blurred,and it is more and more widely used in different applied fields.However it is still a magnificent bridge between the analog world and the digital world. Keywords: Digital Signal Processor ADC Protocol Conver
7、ter TMS320F240 MAX1200 MAX485 synchronized serial port communication 1、引言 早期的嵌入式系统硬件核心是各种类型的 8 位和 16 位单片机。随着数字信号处理理论和计算机的不断发展，现代工业生产和科学技术研究都需要借助于数字处理方法。近年来，数据密集型数字信号处理器（ DSP）以其高性能、低价格的优点得到了广泛的应用。进行数字处理的先决条件是将所研究的对象进行数字化，因此数据采集与处理技术日益得到重视。 基于 DSP 的数据采集系统设计是以前端的模拟信号处理、数字信号处理和计算机等高科技位基础而形成的一门综合技术，是联系模拟
8、世界和数字世界的桥梁。它 在许多领域得到了广泛的应用。 随着各种集成化单片 DSP 的性能不断得以提升，相应的软件和开发工具日趋完善，价格迅速下降，使得 DSP 在控制领域的应用备受关注。 随着各种集成化单片 DSP 的性能不断得以提升，相应的软件和开发工具日趋完善，价格迅速下降，使得 DSP 在控制领域的应用备受关注。 在 DSP 领域，德州仪器（ TI）公司的产品及其配套技术与开发工具具有强大的竞争力，其中 TMS320 型 DSP 是其代表系列。 TMS320 型 DSP 包括 TMS320C2000 系列、 TMS320C5000 系列、TMS320C6000 系列，除 此三大系列主流
9、芯片外还有 TMS320C2X、TMS320C5X、 TMS320C4X、 TMS320C8X 等产品。其中 TMS320C2X、TMS320C5X 定点系列 DSP 被 TMS320C2XX 和 TMS320C54X/C55X系列 DSP 代替而逐步淘汰； TMS320C4X 和 TMS320C8X 两种浮点DSP 也因为 TMS320C67X 的出现而不再推荐使用，而 TMS320C3X是一种性价比较高的浮点 DSP 芯片，还具有一定的市场空间。 本文将以 TMS320C2000 系列下的 TMS320C24XX 系列中的TMS320F240 为数据采集与控制系统的核心芯片，以实现对电机温
10、度信号的采集以及与计算机的通信显示。 2.系统分析 要实现对电机相关量的采集首先必须用传感器检测电机的温度和转速，把检测到的温度信息和转速信息变换为温度电信号和转速电信号后，这些电信号要通过信号调理电路，并经过模数转换器进行转换。转换后的数字信号要经过 dsp 的检测、滤波、整形等处理，处理完成之后的信号还要通过有机发光二极管 OLED 显示器上显示出来，或者输入到计算机上进行显示分析，并通过计算机对电机进行远程控制，操作者现场查看数据并排除故障。但跟系统只是实现对 电机信号的采集并显示在远程计算机上。所以还必须实现 dsp 与计算机之间的通信。而该系统采用的 TMS320F240 芯片的 S
11、CI 接口无法与计算机直接连接，因此要使进行接口转换。 该系统工作过程主要是将模拟输入信号经过 A/D 转换器进行采样和转换，并把采集得到的大量数据送入 DSP 内部进行软件滤波以及前端处理。在 DSP 完成采集数据的处理工作后，将处理结果经过通信接口送至主机，进行实时的后端分析和显示。 系统结构图如下： A/D DSP 接口电路 电机传 感器信号 计算机 3、 系统硬件设计结构 3.1 A/D 转换器 A/D 转换器有直接转换型和简介转换 型，直接转换型是把模拟信号直接转换为数字信号，与间接转换相比同样可以达到很高的分辨率，但是它的转换速度比间接转换型要快。 为了达到高精度并且有很快的转换速
12、度，该系统将采用并联比较型直接转换 ADC 芯片 MAX1200.MAX1200是新型全差分多级流水线结构的模数转换器，但它的每一级转换都是采用并联比较型转换技术。它是具有采样频率可达 1Msps 的 16 位单片集成的模数转换器，它有快速的数字误差校正和自校准功能。能保证在全采样率时具有16 位的线性度和 91db 的菲杂散动态范围（ SF R),以及良好的信噪比（ SNR)和 谐波失真（ THD)特性。 MAX1200 主要用于高分辨率图像系统、扫描仪、数字通信、检测仪表和数据接收等领域。 3.2 数字信号处理器 该系统的 DSP 将采用 TI 公司的 TMS320F240 芯片。 TMS
13、320F240也称为 DSP 控制器，是 TI 公司针对电机、逆变器、机器人、数控机床等控制而设计的，功能十分强大。它以 C2XLP 16 定点 DSP CPU为内核，配置了完善的外围设备，主要包括时间管理模块（ EV）、 A/D转换模块（ ADC)、串行通信接口模块（ ADC)、串行通信接口模块（ SCI）、串行外设接口模块（ SPI)、 中断管理系统和系统监视模块。 TMS320F240 具有以下优点： （ 1) 执行速度快，整体效能佳，可达到真正的实时控制。 (2)特殊的硬件及指令设计，适用于高性能的控制。 (3)容易增加附属功能，很容易扩展外围。 (4)具有实时中断的看门狗定时器模块，
14、可 *程序之运作。 (5)使用 4 层的 Pipeline 的程序运作及设计有指令延迟之功能。 3.3 通信接口设计 由于并行通信方式使用的传输线多，通信成本高，特别是随着通信距离的增加，通信成本大大增加，且可靠性大大降低，串行通信的优点是通信距离远，通信成本低，所以本系统 采用串行通信方式以实现 dsp 与计算机之间的通信。在串行通信中需要解决的一个基本问题是通信的主从机必须按照统一的电气和物理接口标准来连接，如信号电平、信号定义与电缆特性等都必须按照统一的标准。 PC 上的接口一般是 RS-232、并行打印机接口和 USB 接口。 USB接口是应用最为广泛和最为方便的接口，所以这里采用 P
15、C 的 USB接口与 DSP 通信。 在进行点对点通信时一般都使用标准的 RS-232 方式。即用 PC机的 RS-232接口通过 RS-232专用电缆与另一目标主机进行直接连接不需要接口转换。但是 RS-232 的传输方式是 采用一根为地线一根为信号线的不平衡传输，抗干扰性很差。而 RS-485（多发送器电路标准）采用正负极信号差动输送方式，抗干扰性强，传输距离远。 RS-485可以让主机跟多个从机进行通信。所以本系统 TMS320F240 的 SCI通信接口协议选用 RS-485。这样 PC的 USB接口就要与 DSP的 RS-485接口进行通信。但是 USB 不能与 RS-485 接口进
16、行直接通信，必须采用 USB转 RS-485的容错型转换器，因此本系统采用 UT 系列的 UT850 USB 转 RS-485 转换器。并采用 MAXIM 公司生产的 MAX485 收发器芯 片以实现 RS485 标准接口通信。 4、 模拟量采集及 A/D 转换 4.1 温度信号调理 通常在模拟信号被 A/D 转换之前都有经过某些种类的信号调理电路。这是因为传感器对温度、压力、光的强度等通过感受并转换为电压、电流等电信号时，这些电信号非常微弱且有很多噪声信号，所以它通常很难被信号采集设备识别，也无法被 A/D 转换器识别进行转换，所以在这种模拟信号被 A/D 转换之前要经过调理电路的放大、衰减、滤波、缓冲等处理，使其适合 A/D 转换器。在一个数据采集系统当中，倘若调理电路设计的很好，可以大大提高系统采集信号的精度和准确度。 本系统从传感器送来的 4 路电机温度信号先要通过通过信号调理电路然后进入 ADC 转换。 转子温度信号调理电路
