基于TMS320C6713控制器的數據采集系統設計

近年來，隨著微控制器的發展，各類工業控制產品對現代數字控制器的需求也越來越大。這又反過來推動了現代大規模集成電路和微控制器的不斷發展，同時各類數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200 MHz，其單指令執行周期僅5 ns，具有強大的定點浮點運算能力，運算速度高達1 600MIPS／1 200MFLOPS。

　　TMS320C6713處理器由3個主要部分組成：CPU內核、存儲器和外設。

　　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。外設包括擴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。

圖1 TMS320C6713功能框圖

　　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200 MHz，運算速度最高可達1600 MIPS；

　　2）超長指令字（VLIW）DSP核：8個獨立功能單元（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構，可以大大縮減代碼的指令包；

　　3）L1／L2存儲器結構：4 KB L1P程序緩存，4 KB L1D數據緩存：256 KB L2內存：其中64 K字節可配置成緩存或存儲器，192 K字節統一映像內存，可以靈活地定位為程序／數據空間；

　　4）32位外部存儲器接口（EMIF）：可配置異步存儲器接口，擴展SRAM和E2PROM；可配置同步存儲器接口，可擴展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的主要優點是運行速度快、存儲配置方便、資源豐富，這些都給微控制器的設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。通過軟件配置相應的寄存器，可以使EMIF接口工作于和設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置的。

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

　　圖2是TMS320C6713的EMIF接口信號示意圖。

圖2 TMS320C6713的EMIF接口信號示意圖

　　圖2中，ECLKIN信號是系統提供的一個外部時鐘源。ECLKOUT信號是由內部產生（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接口的這一優勢，設計者使用集成EMIF接口的控制芯片時，無論是擴展外部存儲設備，還是利用EMIF接口進行外部設備的讀取，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用。

表1 TMS320C6713的EMIF存儲器映射寄存器

　　3 硬件電路設計與實現

　　3.1 需求分析

　　本設計硬件任務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。

表2 主要需求

　　3.2 硬件設計

　　圖3所示是TMS320C6713外圍的主要的功能框圖。

圖3 TMS320C6713外圍的主要的功能框圖

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

　　AD7865是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A／D轉換芯片，該芯片內部有1個2.4μs的逐次逼近型A／D轉換器，4個跟蹤／保持放大器，內部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計。AD574轉換時間為25μs，而AD7865完成四通道信號的同時轉換，則只需要100 μs。 AD7865內部4個采樣通道的輸入信號是同步采樣的，只需發送1個脈沖的采樣啟動信號，芯片將自動完成采樣、逼近和存儲數據到片內特定寄存器等工作，單路采樣速率350 KSPS，四路同時采集時100 kHz。

　　根據設計需求可設定調理電路放大倍數為2倍（反相放大），則實際值與A／D的采樣值之間的關系可由式（1）表示。

　　實際值=采樣值／213x10／（-2）×傳感器系數 （1）

　　若采樣值為正數時可用式（1），否則需先進行求補處理。

　　AD7865的前端調理電路如圖4所示。

圖4 AD7865的前端調理電路圖

　　AD7865的外圍連接電路如圖5所示。

圖5 AD7865的外圍連接電路圖

　　TMS320C6713的EMIF接口各信號線可以根據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。可按照如下原則設計：1）地址線和數據線以及控制線出口處可以串聯33 Ω的電阻，以達到限流的效果；2）對于某些敏感信號（如片選／CEx信號，保有信號／HOLD等等）在默認狀態下的電平，應該通過上拉和下拉進行確定。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邏輯擴展，在本設計中，CPLD的主要工作是在DSP6713和多片AD7865芯片之間進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公司關于該芯片的引腳功能表，在此不做贅述。

　　4 軟件實現與部分流程圖

　　4.1 EMIF接口的配置實現

　　TMS320C6713要實現EMIF接口數據讀取的首要條件是正確配置EMIF接口的寄存器，以達到設計的要求。

　　本設計將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。當然，要正確地配置EMIF接口，必須要正確配置TMS320C6713的鎖相環（PLL）寄存器，在此處不具體說明。配置TMS320C6713的鎖相環（PLL）寄存器以后，就可以配置EMIF總線的幾個控制寄存器了。本設計中具體主要寄存器配置的幾個參數如下：

　　本設計中采用的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，由于內部數據處理時為了計算方便而采用了32位的數據，數據位寬通常為32位，在進行外部讀取時，如果采用16位寬度，那么一次讀

　　取總線為了匹配數據長度，將要發送連續讀取兩次的讀信號，這在一定程度上雖然加快了A／D讀取的速度，但在后續數據處理方面則需要更多的操作和更多的時間，所以權衡各因素，采用32位寬異步接口方式。

　　4.2 實現A／D轉換和讀取數據

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

　　1）轉換過程中讀取數據，即轉換一路讀取一路；

　　2）所有通道的信號均轉換完成后再順序讀取各通道數據。

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

　　實際采用的A／D轉換和讀取的主要流程如圖6所示。

圖6 采樣流程圖

　　5 測量結果

　　本文完成輔助控制器的設計后，對軟硬件進行測試。

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

表3 測試電壓及計算結果

　　6 結束語

　　由測量數據和控制器的計算結果可知，本設計完成了基于EMIF接口的數據采集系統的設計任務。由系統采集得到的數據誤差較小，可以滿足各類工程的需求。通過在線調試。可看到在實際采樣過程中，采樣數據是在一個值附近波動，在某些對于數據的實時度需求不是很高，而對數據的精確度需求較高的場合，可通過求取某一段較短時間內的采樣平均值的方法來提高數據的精度。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。系統在采集數據完成以后，可以高速高精度的進行電力系統的參數計算，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。