摘 要 阐述了基于 DSP 的智能仪表系统组成，采用 MAX202 芯片以及外围电路，完成智能仪表与计算机的异步串行通信，并对通用型输入输出 GPIO 程序设计进行了说明。

　　目前现场控制级的智能仪表大多基于单片机实现。随着数字信号处理器 DSP 的发展以及在控制中的应用，使控制系统和智能仪表的发展进入了一个全新的阶段。TI 公司的 DSP 芯片不仅具有先进处理器，而且片上集成了许多外设，具有独立的用于访问数据存储器或程序存储器的系统总线，具有快速的机器周期、哈佛结构、流水线操作及专用硬件乘法器等。这些独特的特点使 DSP在各种控制系统研究和算法应用中得到越来越广泛的应用。基于 DSP 的智能仪表具有快速响应和易于实现先进控制算法等特点。与传统的单片机相比，具有功能强、资源丰富、运算速度快及接口种类多等突出的性能[1]。因此研究基于 DSP设计的智能仪表具有更广泛的应用价值。①

　　1 基于 DSP 的智能仪表系统组成

　　DSP 的最小系统包括时钟电路、复位电路及JTAG 仿真接口等。基于 DSP 的智能仪表系统( 图1) 以 TMS320F2812 为核心，在最小系统基础上可在其外围配置存储器、电源、键盘显示电路、数据通信接口及 D/A 输出等。智能仪表系统可以实现数据采集、PID 控制、D/A 输出、键盘管理与显示，以及实现闭环控制。通过串口可以接收上位机发送的命令，完成系统工作参数的设置。将采集到的数据存储在存储器中。键盘管理可以设置给定值和报警上下限值，当测量值超过上限时进行报警。

　　DSP 对采集的数据进行处理并送数码管显示。也可以通过串行通信接口将测量值发送到上位机存入数据库，并在计算机上显示测量值变化曲线，完成对数据的采集、显示、处理和分析。

　　2 DSP 智能仪表基本电路设计

　　2. 1 静态 RAM 电路设计

　　智能仪表系统外扩静态 RAM 电路。芯片选用 Cypress 公司生产的 16 位 64K 字节的静态RAM 存储器芯片 CY7C1021，采用 CMOS 工艺，最大读写时间为 12ns，具有自动低功耗模式的功能，保证低散热量。TMS320F2812 的外部接口XINTF 是一种非多路选通的异步总线，通过XINTF 外扩存储器 RAM 以后，仿真调试时程序就可以导入外扩的 RAM 中进 行。DSP 内 部 有Flash，在调试完成后可通过修改. cmd 文件将程序烧入 Flash 中运行[2]。

　　2. 2 时钟电路设计

　　基于 TMS320F2812 DSP 设计的时钟电路可采用无源晶振或有源晶振。采用无源晶振时，DSP 内部振荡器被激活; 采用有源晶振时，将接收外部时钟。TMS320F2812 提供了两个时钟引脚1 / XCLKIN 和 X2，其中 X1 是输入引脚，而 X2 是输出引脚。有两种方案可以选用: 使用 4 只脚的卧式晶振，将 X2 脚悬空，晶振输出送入 X1 脚; 采用两只脚的立式晶振，送入一个频率与立式晶振标称值相同的时钟信号。该系统中采用了第二种接法，使 用 标 称 值 为 30MHz 的 立 式 晶 振。TMS320F2812 的 最 大 主 频 为 150MHz，选 用0MHz 的晶振经过内部锁相环倍频后可得到多个可变工作频率，供不同要求的系统选用。

2. 3 复位电路设计

　　为了方便人工复位，使用 TI 公司的电源监控芯片 TPS3823-33 和一个复位开关 RESET 共同组成复位电路( 图 2) 。当 RESET 接通后，输出电压将出现欠电压状态，TPS3823-33 监视到这一变化后将在 RESET 端输出一个宽度大于 200ms 的低电平，迫使 TMS320F2812 复位。

　　2. 4 电源电路设计

　　TMS320F2812 芯片采用了低功耗设计，核心电压为 1. 8V，I/O 端口电压为 3. 3V，采用 TI 公司的电源转换芯片 TPS767D318，将 + 5V 直流电源转换为所需 + 3. 3V 和 + 1. 8V 直流电源( 图 3) 。

　　TPS767D318 电源芯片具有双电压输出，采用 5V电压供电，能同时提供1. 8V和3. 3V输出电压，能满足 DSP 对电源上电次序的要求，是专门为DSP 应用设计的电源芯片。选择 TPS767D318 设计的数字电源，极大地简化了电源模块的设计，为系统的稳定运行提供了必要条件。为了更好地得到所需要的电压，在输入和输出处分别加上了滤波电容和滤波电感。输入端的滤波电容选择22μF 的极化电容以滤除输入噪声。输入端的滤波电感选用 10μH 的电感，因为 TPS767D318 产生的 1. 8V 和 3. 3V 电压有比较大的噪声，输入到DSP 前应接电感滤波，但电感往往内阻比较高，会造成不必要的压降，智能仪表系统采用了内阻仅0. 2Ω 的特种电感，既可以去除噪声，又不会有很大的压降。

　　3 D /A 转换电路设计

　　D / A 转换采用双通道 12 位电压输出型模拟转换器 TLV5638 与 TMS320F2812 的 SPI 接口相连，并通过电压电流转换电路将电路输出的 1 ～5V 电压转换为 4 ～ 20mA 的电流输出。TLV5638具有灵活的三线串行接口，可以与 TMS320F2812的 SPI 串行口实现连接( 图 4) 。

　　电路采用 TLV5638 和两通道运算放大器LM358 组成两路 D / A 输出通道。TMS320F2812作为 SPI 的主机，TLV5638 作为从机。DSP 的SPISIMO 引脚与 TLV5638 的串行输入端引脚 DIN相连，输出串行数据。DSP 的 SPICLK 引脚提供串行时钟与 TLV5638 引脚 SCLK 相连。DSP 的一个 I/O 引脚产生片选信号与 TLV5638 的 CS 相连，低电平有效时选中 TLV5638。

　　4 串行通信电路设计

　　RS-232 是现在应用最广泛的一种串行通信接口。EIA-232 是用正负电压表示逻辑状态，与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够与计算机接口相连接，必须在 EIA-232 与TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。目前较为 广 泛 地 使 用 集 成 电 路 转 换 器 件，采 用MAX202 芯片完成智能仪表与计算机的异步串行通信，电路设计如图 5 所示。

5 GPIO 和数据采集功能

　　5. 1 GPIO 功能

　　GPIO( General Purpose I / O) 是通用型输入输出的简称，其引脚可以由程序控制作为通用输入与输出 GPIO 或外设功能。在 TMS320F2812 DSP数字信号处理器上提供了多个通用 I/O 引脚，这些引脚绝大部分是多功能复用引脚。通过 GPx-Mux 寄存器配置引脚可以工作在数字 I / O 模式也可以作为外设功能使用。如果引脚工作在数字I / O 模式，通过方向控制寄存器 GPxDIR 控制引脚是输入还是输出，可以通过量化寄存器 GPxQUAL量化输入信号，消除外部噪声信号。例如欲使GPIOB0 输出高电平，GPIOB1 输出低电平应当首先做如下配置:

　　void INItGpio( void)

　　{ EALLOW;

　　GpioMuxRegs. GPBMUX. bit. PWM7 _ GPIOB0 =

　　0; / / 引脚 GPIOB0 配置为 I / O 模式

　　GpioMuxRegs. GPBMUX. bit. PWM8 _ GPIOB1 =

　　0; / / 引脚 GPIOB1 配置为 I / O 模式

　　GpioMuxRegs. GPBDIR. bit. GPIOB0 = 1; / / 引脚

　　GPIOB0 配置为输出

　　GpioMuxRegs. GPBDIR. bit. GPIOB1 = 1; / / 引脚

　　GPIOB1 配置为输出

　　EDIS;

　　}

　　5. 2 GPIO 程序设计

　　基于 DSP 的智能仪表需要接收按键输入、具备报警灯和电源灯指示。对引脚赋值并用万用表量取电压值。当软件将该 I/O 口置 1 时，电压表显示 3. 3V。当软件将该 I/O 口置 0 时，电压表显示 0V。GPIOB0 和 GPIOB1 I/O 口的软件程序设计如下所示:

　　interrupt void ISRTimer2( void)

　　{ GpioDataRegs. GPBDAT. bit. GPIOB0 =1;

　　GpioDataRegs. GPBDAT. bit. GPIOB1 = 0;

　　}

　　程序中 GPIOB0 输出高电平，GPIOB1 输出低

　　电平。

　　5. 3 数据采集功能

　　片内 A/D 直接关系到智能仪表的数据采集。一旦 A/D 转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器 AdcRegs. RESULT0 中。对 A/D 通道输入0 ～ 3V 电压。观察 DSP 的 A / D 数据采集值。3V电压时，数字量为 0xFFF0; 2. 487 9V 电压时，数字量为 0xD430。数据采集功能实现程序设计如下:

　　interrupt void ad( void)

　　{ IFR =0x0000; / /中断标志清 0

　　PieCtrl. PIEACK. all = 0xffff; / / 中断应答寄存器写 1

　　清 0

　　if( adconvover = = 0)

　　{ Ad _ data [convcount] = ( ( float ) AdcRegs.

　　RESULT0) * 3. 0 /65520. 0; / /

　　取 A/D 转换结果

　　convcount + + ;

　　}

　　if( convcount = = ( SampleLong)

　　{ convcount =0; / /计数清 0

　　adconvover = 1; / / 采样完毕标志置 1

　　}

　　}

　　6 结束语

　　智能仪表使用数字信号处理器 DSP 及相应的电路，仪表内部带有处理功能很强的软件。仪表己经不再是硬件实体，而是硬件与软件的结合。DSP 芯片的问世，使仪器仪表数字信号处理功能大大加强，可以编写复杂控制算法组成控制系统[3 ～5]。用于工业控制领域的 DSP 芯片除了具有流水线式指令执行方式及运行速度快等优点外，其片内强大的模块如 A/D 转换、PWM 等硬件资源，为设计高精度、智能化仪表特别是便携式仪器仪表提供了极大的便利。

　　参 考 文 献

　　[1] 王荣华，王士敏. TMS320C28X 处理器在交流采样中的应用[J]. 电测与仪表，2005，42( 3) : 55 ～58.

　　[2] 陈光建，贾金玲. 基于单片机的 I2C 总线系统设计[J]. 仪器仪表学报，2006，27( z3) : 2465 ～2466.

　　[3] 闫瑞杰，李海香，郝瑞霞. 基于 ATmega16 的 AD7705多通道模拟量采集系统设计[J]. 化工自动化及仪表，2011，38( 4) : 467 ～468.

　　[4] 黄思，阮志勇，刘龙珍. 应用 CFD 技术预测管道离心泵性能[J]. 化工机械，2009，36( 2) : 128 ～130.

　　[5] 杨辉，周强. 基于 LabVIEW 和 AVR 单片机的压力数据采集处理系统[J]. 化工自动化及仪表，2010，37( 11) : 92 ～94.

上一篇 : 谷歌负责人谈移动商务：本地和移动相结合             下一篇 : 摇滚烧鸡炉 五排摇滚烤鸡炉和六排摇滚烤鸡