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毕业设计（论文）材料之二
（2）
安徽工程大学机电学院
本科毕业设计（论文）开题报告
题目：
基于TMS320F2812-SPI的串行数据
采集系统设计
课题类型：
设计实验研究□论文□
学生姓名：
石军
学号：
3082102308
专业班级：
电信2083
教学单位：
电气工程学院
指导教师：
周鹏（讲师）
开题时间：
2012年3月16日
2012年3月14日
一、毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）
研究对象：
本次毕业设计要求基于TMS320F2812-SPI设计一个串行数据采集系统。
要求学生掌握TMS320F2812-DSP芯片基本原理结构以及各引脚信号说明，通过SPI总线，将AD7674与TMS320F2812直接相连，实现高速串行数据的传输，完成SPI的接口电路及软件设计。
研究意义：
TMS320F2812-DSP是TI公司最新推出的、功能最强、性能优越的32位定点DSP芯片之一，具有运行速度快、集成度高、存储空间大、A/D转换速度快、转换精度高等特点,为众多设计师所瞩目。
针对目前嵌入式数据采集系统对数据采集的精度、速度要求越来越高，同时又要求接口电路简单、传输可靠性好。
在生产过程中，应用数据采集系统可对生产现场对工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。
在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程对有力工具，也是获取科学奥秘对重要手段之一。
随着技术对发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出新，给我们对生活带来了极大的好处。
因此，数据采集系统的设计就显得尤为重要了。
本课题研究的主要要求：
基于高速高精度ADC芯片AD7674与DSP芯片TMS320F2812组成的数据采集系统，通过SPI总线，可将AD7674与TMS320F2812直接相连，方便的实现了高速串行数据的传输，完成SPI的接口电路及软件设计。
二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述）
数据采集系统起始于20世纪50年代。
1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。
由于该种数据采集设备产品进入市场。
此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。
20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机融为一体的数据采集系统，由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。
20世纪80年代，随着计算机的普及及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。
20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化。
工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。
由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性是单片数据采集系统采DAS。
目前有DAS产品精度已达24位，采集速度每秒达到几十万次以上。
数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。
该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构。
根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。
随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展。
从近年来国外公司展示的新产品可以看出主要的发展可以概括为功能多样，体积减小和使用方面等三个方面，此外，数据采集系统的特点还反映在如下几个方面：
1．现代数据采集系统一般都内含有计算机系统，这使得数据采集的质量和效率等大为提高，同时显著节省了硬件投资。
2．软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。
3．数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理相互融合的系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。
4．速度快，数据采集过程一般具有“实时”特性。
对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。
5．随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。
6．总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要作用。
随着信息时代的到来，各种信息的集成和交互越来越频繁。
在运动控制系统中需要处理和存储的信息量也与日俱增。
大部分运动控制系统中核心芯片MCU自身已经集成较大容量的存储器（与以前MCU相比），但仅仅依靠MCU自身的存储器一般很难满足系统对大容量存储器的要求，因此必须找到高效的方法实现对系统存储容量的扩展。
SPI是一个高效的、数据位数可编程的高速输入/输出串行接口，几乎所有MCU生产厂商都提供对SPI接口的支持，目前高速的SPI接口时钟频率已达到60M甚至更高，SPI接口一般只用4根连接线即可完成所有的数据通讯和控制操作，因此不占用MCU的数据总线和地址总线，极大地节约了系统的硬件资源，是一种经济实用的扩展系统存储容量的方法。
此外，SPI的字长、波特率配置灵活，传输速度快，因而带有SPI接口的高速高精度A/D芯片可以方便的与DSPSPI接口实现串口通信，以实现嵌入式数据采集系统高速数据传输的要求，同时AD7674与AD7678、AD7679等18位SARA/D芯片以及AD7621、AD7623等16位高速SARA/D芯片引脚兼容，从而大大增强了系统开发的灵活性和延续性。
三、毕业设计（论文）研究方案及工作计划（含工作重点与难点及拟采用的途径）
I、研究方案：
下面是本毕业设计的研究方案，主要从工作重点与难点及拟采用的途径来分析
1．重点与难点
本次毕业设计要求基于TMS320F2812-SPI设计一个串行数据采集系统。
要求学生掌握TMS320F2812-DSP芯片基本原理结构以及各引脚信号说明，通过SPI总线，将AD7674与TMS320F2812直接相连，实现高速串行数据的传输，完成SPI的接口电路及软件设计。
要求基于SPI总线的嵌入式数据采集系统的设计方法，选择TI公司C2000系列的主频可达150MHz的DSPTMS320F2812做为SPI总线的主设备，最高采样速率800KSPS、采样精度18位的ADI公司模数转化芯片AD7674作为从设备，来完成该系统的数据的采集和传输。
所以重难点可分为硬件部分和软件部分。
2.系统硬件设计：
2.1系统的组成与结构
本采集系统由前端的系统包括信号滤波、信号处理模块、A/D转换模块、控制模块几部分组成。
在该系统的设计中DSPTMS320F2812作为SPI的主设备，AD7674作为从设备，通过TMS320F2812的GPIO口来控制AD7674的片选，转化及其工作状态，然后在TMS320F-2812提供的时钟脉冲的作用下，把A/D转换的结果存到指定的地址单元。
系统框图如图1所示。
图1数据采集系统系统框图
2.2AD7674及其工作方式
在该系统中AD7674是ADI公司一款高精度18位逐次逼近（SAR）型ADC，它具有采样速率高、精度高、功耗低、无管道延迟的特点，其采样速率最高可达到800KSPS（每秒千次采样），积分非线性误差（INL）最大为2.5LSB，在整个温度范围内，保证不会丢码。
器件是全差分输入，5V单电源供电，可接5V或3.3V数字电源。
AD7674还具有许多其他特点，包括1个内部变换时钟、1个内部基准缓冲器、误差修正电路以及串行（SPI）与并口（18、16或8位总线）接口。
AD7674能提供3种不同转换速率工作方式以便对不同的具体应用优化性能，这3种工作模式如下：
（1）WARP：
允许采样率高达800KSPS，然而在这种模式下只有转化之间的时间不超过1ms时，才能保证其转化的精度，如果连续2次转换之间的时间大于1ms，第一次转换的结果就会被忽略，这种模式适合于要求快速采样率的应用中。
（2）NORMAL：
这种模式的采样率为666KSPS，在这种模式下对采样转化之间的时间没有限制，从而既可以保证高的转化精度又可以保证快的采样速率。
（3）IMPULSE：
这是一种低功耗的模式，其采样率为570KSPS，例如：
当操作在1KSPS时，它仅消耗136PW这样的特点使得它适合于电池供电的应用。
2.3TMS320F2812及其串行外设接口（SPI）的特点
TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。
该芯片兼容TMS320F2407指令系统，最高可在150MHz主频下工作，该系统中，它作为SPI的主设备，为AD7674采样结果的输出提供同步时钟。
TMS320F2812的SPI模块的主要特点如下所述：
（1）4个外部引脚：
SPI从输出/主输入引脚（SPIS0-MI）、SPI从输入/主输出（SPISIMO）、SPI串行时钟引脚（SPICLK）以及SPI从发送使能引脚（SPISTE）；
（2）2种工作方式：
主和从方式；
（3）波特率：
有125种可编程波特率；当SPIBRR—0，1或2时，SPIBRR波特率=LSPCLK／4；SPIBRR=3—127时，SPIBRR波特率=LSPCLK／（SPIBRR+1）；
（4）数据字长：
可编程l～16个数据长度；
（5）4种时钟模式：
无相位延迟的下降沿、有相位延迟的下降沿、无相位延迟的上升沿以及有相位延迟的上升沿；
（6）接收和发送可同时操作（可通过软件屏蔽发送功能）；
（7）通过中断或查询方式实现发送和接收操作；
（8）9个SPI模块控制寄存器。
2.4AD7674与TMS3201F2812的接口电路
在本设计中为了保证高的转化精度和快的采样速率，将AD7674的设置NORMAL工作方式，即将WARP和IMPULSE引脚接地；为了采用串口通信方式，将AD7674的MODE0和MODE1引脚置为高电平；将AD7674的EXT／INT引脚接高电平，配置其为从设备；AD7674的CS、CNVST、BUSY引脚分别与TMS320F2812的GPIOD0、GPIOD1、GPIOD2口相连，通过TMS320F2812的GPIO口来控制AD7674的片选、转化以及工作状态；AD7674符合SPI的数据通信协议，将其SCLK引脚与TMS320F2812的SPICLKA引脚相连，通过TMS320F2812向AD7674提供接收数据的同步时钟；AD7674的SDOUT引脚与TMS320F2812的SPISOMIA引脚相连，在接收数据时，使SDOUT输出的采样结果在时钟脉冲的控制下通过SPISOMIA移到TMS320F2812的SPI的移位寄存器。
其AD7674与TMS320F2812的接口电路如图2所示。
图2AD7674与TMS320F2812的接口电路
3.系统软件设计
AD7674与TMS320F2812SPI之间高速串行通信，首先是通过TMS320F2812SPI的相关寄存器的设置，把其配置为从模式；接着对SPI的字长、波特率、时钟模式等进行相应的配置；然后通过TMS320F2812的GPIOD0口来片选AD7674，通过GPIOD1来启动ADC的转化，当转化控制输入CNVST到来一个下降沿时，片内采样保持器由采样模式转化为保持模式，保持模拟输入信号，并启动转化过程；转化启动后，BUSY信号一直保持高电平，直到转化完成后，BUSY信号变为低电平；最后在TMS320F2812的输出脉冲控制下，把18位的采集结果送到指定的
存储单元。
3.1软件实现
程序采用C语言编写，包括系统初始化程序、SPI接口的配置程序、以及接收和发送程序等。
在程序设计时可以采用中断方式和查询方式，如果采用中断方式，在数据传输时频繁的中断，对数据传输的可靠性和稳定性不利，因而本文采用查询的方式来编写程序。
如下为采用查询方式时的SPI串口通信程序流程图。
图３ 查询方式时的SPI串口通信程序流程图。
II、工作计划：
起止日期（日/月）
周次
进度计划
2.19—2.25
1
熟悉课题、收集相关资料
2.26—3.3
2
收集、消化相关资料
3.4--3.10
3
拟定设计方案、方案比较
3.11—3.17
4
撰写开题报告
3.18—3.24
5
提交毕业设计开题报告，参加开题
3.24—3.31
6
设计方案细化、方案改进
4.1—4.7
7
硬件电路设计、软件设计
4.8—4.14
8
软硬件调试
4.15—4.21
9
软硬件调试、软硬件设计改进
4.22—4.28
10
撰写设计报告书
4.29—5.5
11
撰写设计报告书
5.6—5.12
12
撰写设计报告书、完成初稿
5.13—5.19
13
设计报告书修订、完成毕业设计
5.20—5.26
14
提交正式设计报告书，参加论文互评
5.27—6.2
15
提交正式设计报告书，参加论文答辩
6.3—6.9
16
设计报告书答辩后修订，完成毕业设计
III、主要参考文献
[1]TexasInstrumentsInc．TMS320F2810，TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811，TMS320C2812DigitalSignalProcessorsDataManual[R]．LiteratureNumber：
SPRS174J，2003
[2]TexasInstrumentsIncorporated．张卫宁编译．TMS320C28X系列DSP的CPU与外设（上、下）[M]．北京：
清华大学出版社，2005
[3]张雄伟，陈亮．DSP集成开发与应用实例[M]．北京：
电子工业出版社，2002
[4]彭启琮，管庆等编著．DSP集成开发环境—CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M]．北京：
电子工业出版社，2004
[5]边永青，旋转编码器与PC接口设计[J]．工业控制计算机，2001，14（5）：
23-24
[6]BARTOAG，SUTTONRS，ANDERSONCW．Neuronlikeadaptiveelementsthatcansolvedifficultlearningcontrolproblems[J]．IEEETrans．SMC，1983，13（5）：
834-846
[7]李鹏飞，贺小伟．基于TMS320F2812高速数据采集系统的设计与实现[J]．西安工程科技学院学报，2007，（02）
[8]张茂青．一种基于DSP的数据采集系统的设计[J]．江苏电器，2008，（03）
[9]任德志，徐丽萍，葛南燕．基于增强型SPI接口的大容量Flash扩展实现[J]．国外电子元器件，2006，（10）
[10]张英祥，陈峰．基于TMS320F2812的数据采集监测系统设计[J]．火力与指挥控制，2011，（03）
[11]张英祥，陈峰．基于TMS320F2812的数据采集监测系统设计[J]．机械工程与自动化．2010，（01）
[12]周端，司栋森，张建国．基于TMS320F2812高速数据采集系统的设计与实现[J]．电光与控制，2007，（01）
附录A：
英语引文及翻译
TMS320F2810,TMS320F2811,TMS320F2812,TMS320C2810,TMS320C2811,TMS320C2812DigitalSignalProcessors
Introduction
Thissectionprovidesasummaryofeachdevice’sfeatures,liststhepinassignments,anddescribesthefunctionofeachpin.Thisdocumentalsoprovidesdetaileddescriptionsofperipherals,electricalspecifications,parametermeasurementinformation,andmechanicaldataabouttheavailablepackaging.
Description
TheTMS320F2810,TMS320F2811,TMS320F2812,TMS320C2810,TMS320C2811,andTMS320C2812devices,membersoftheTMS320C28xDSPgeneration,arehighlyintegrated,high-performancesolutionsfordemandingcontrolapplications.ThefunctionalblocksandthememorymapsaredescribedinSection3,FunctionalOverview.
Throughoutthisdocument,TMS320F2810,TMS320F2811,andTMS320F2812areabbreviatedasF2810,F2811,andF2812,respectively.F281xdenotesallthreeFlashdevices.TMS320C2810,TMS320C2811,andTMS320C2812areabbreviatedasC2810,C2811,andC2812,respectively.C281xdenotesallthreeROMdevices.2810denotesbothF2810andC2810devices;2811denotesbothF2811andC2811devices;and2812denotesbothF2812andC2812devices.
PeripheralInterruptExpansion（PIE）Block
ThePIEblockservestomultiplexnumerousinterruptsourcesintoasmallersetofinterruptinputs.ThePIEblockcansupportupto96peripheralinterrupts.OntheF281xandC281x,45ofthepossible96interruptsareusedbyperipherals.The96interruptsaregroupedintoblocksof8andeachgroupisfedinto1of12CPUinterruptlines（INT1toINT12）.Eachofthe96interruptsissupportedbyitsownvectorstoredinadedicatedRAMblockthatcanbeoverwrittenbytheuser.ThevectorisautomaticallyfetchedbytheCPUonservicingtheinterrupt.Ittakes8CPUclockcyclestofetchthevectorandsavecriticalCPUregisters.HencetheCPUcanquicklyrespondtointerruptevents.Prioritizationofinterruptsiscontrolledinhardwareandsoftware.Eachindividualinterruptcanbeenabled/disabledwithinthePIEblock.
ExternalInterrupts（XINT1,XINT2,XINT13,XNMI）
TheF281xandC281xsupportthreemaskedexternalinterrupts（XINT1,2,13）
XINT13iscombinedwithonenon-maskedexternalinterrupt（XNMI）.Thecombined
signalnameisXNMI_XINT13.Eachoftheinterruptscanbeselectedfornegativeor
positiveedgetriggeringandcanalsobeenabled/disabled（includingtheXNMI）.Themaskedinterruptsalsocontaina16-bitfreerunningupcounter,whichisresettozerowhenavalidinterruptedgeisdetected.Thiscountercanbeusedtoaccuratelytimestamptheinterrupt.
OscillatorandPLL
TheF281xandC281xcanbeclockedbyanexternaloscillatororbyacrystalattachedtotheon-chiposcillatorcircuit.APLLisprovidedsupportingupto10-inputclock-scalingratios.ThePLLratioscanbechangedon-the-flyinsoftware,enablingtheusertoscalebackonoperatingfrequencyiflowerpoweroperationisdesired.RefertotheElectricalSpecificationsectionfortimingdetails.ThePLLblockcanbesetinbypassMode.
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