基于DSP的多通道数据采集电路设计说明.docx

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基于DSP的多通道数据采集电路设计说明

第1章绪论

本次硬件电路设计采用的是TI的DSP2812具有JTAG调试，功能。

板上提供了一些键盘、LED、RS232等常用功能部件，能够帮助用户学习32位单片机从简单的开始，一步一步的过渡到32位ARM嵌入式系统开发领域。

功能特点

使用CPUPACK，可以使用多种兼容芯片DSP2812，带有CPUPCAK一块；标配TI的DSP2812，可进行JTAG仿真调试，支持ADS1.2集成开发环境；完全自主设计的软硬件、拥有自主的JTAG仿真技术，用户使用没有后顾之忧；可选CAN接口板，方便组装现场总线所有I/O全部引出，可以和用户的外部电路连接搭配；4个独立LED、6个独立键盘控制；具有RS232转换电路，可与上位机进行通讯；可以与标准串行MODEM直接接口，方便远程通讯具有I2C器件、SPI器件接口器件；具有滤波电路，PWM输出可实DAC转换功能；板上的功能部件可使用跳线器连接或断开连接；提供基于PC的人机界面，方便调试实时时钟、串口通信等功能；提供详细的使用教材，实验例程。

可进行GPIO的控制实验，如LED控制、键盘输入、蜂鸣器控制、模拟SPI等；可进行外部中断实验，学习向量中断控制器（VIC）；定时器控制实验，如定时控制LED、匹配比较输出等；使用RS232转换电路，完成UART通讯实验；使用板CAT24WC02，完成I2C总线的实验；使用74HC595芯片，实现SPI接口数据发送、接收实验；具有PWM输出测试点及滤波电路，实现PWM输出、PWMDAC实验；实时时钟控制实验；WDT及低功耗控制实验；ADC数据采集实验。

DSP2812是世界首款可加密ARM芯片，具有零等待128K/256K字节的片Flash，16K的SPAM，无需扩展存储器，是系统更为简单、可靠，部具有UART、硬件IIC、SPI、PWM、ADC、定时器、CAN等众多外围部件，功能更强大，64管脚LQFP封装，体积更小，3.3V和1.8V系统电源，部PLL时钟调整，功耗更低。

第2章硬件电路原理图

2.1电路原理图的组成

基于DSP2812开发实验板的电路原理图如图1所示。

图1DSP开发实验板原理图

2.2电路中的主要元器件及实验板功能

在本次设计的实验开发电路板的过程中，考虑到基本实验板应具有的功能，因而首先增加了一些简单基本的调试电路，供教学实验学习使用，以调试编写好的程序。

板上提供了一些键盘、LED、LCD、RS232等常用的一些功能部件，还有两组供电电源，调试测试接口和USB接口，帮助用户学习32位单片机从简单的开始，从而一步一步的过渡到32位DSP嵌入式开发领域。

DSP2812为64脚的封装，16/32位DSP7TDMI-S微控制器，16KB的静态RAM，0/128/256KB片Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器实现高达60MHz的操作频率。

双电源供电，晶振频率围为1到30MHz，若使用PLL或ISP功能，则为10到25Hz，2个32位定时器，PWM单元，实时时钟和看门狗，4路10位A/D转换器，转换时间低至2.44us，可以通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒，通过外部存储器接口可将存储器配置4组，每组的容量高达16MB，嵌入式跟踪宏单元支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪，通过片PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率。

DSP2812不具备外部程序存储器接口，所以扩展片外存储器只能通过I/O口模拟总线操作，或者使用IIC,SPI接口连接。

DSP2812具备外部存储器接口，通过外部存储器控制器可以扩展4个BANK的存储器组，每个存储器组的空间空间大小为16MB。

对于外扩的SPAM存储器使用LDR/STR指令即可进行数据的读写操作；而对于外扩的Flash，可以使用LDR读取指令数据，实现Flash的擦除编程。

DSP2812的P0口是一个32位双向I/O口，每位的方向可单独控制，P0引脚的功能取决于引脚连接模块的引脚功能的选择。

原理说明:

2.3最小系统设计

图2为嵌入式微控制器的最小系统框图，其中存储器系统是可选的，因为很多面向嵌入式领域的嵌入式微控制器部设计了程序存储器和数据存储器，存储器系统是不用自行设计的。

还有就是调试测试接口不是必须的，但是在电路板开发的过程中发挥了巨大的作用。

图2基于DSP2812的最小系统原理框图

2.4电源电路

DSP2812要使用两组电源，I/O口供电电源为3.3V，核及片外设供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V应用系统。

首先，由CZ1电源接口输入9V直流电源，二极管D2防止电源反接，经过C1、C3滤波，然后通过78M05将电源稳压至5V，再使用LDO芯片（低压差电源芯片）稳压输出3.3V及1.8V电压。

LDO芯片采用了LM1117MPX-1.8和SPX1117M-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。

系统电源电路如图3所示。

SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1%以，还具有电流限制和热保护功能，广泛用户在手持式仪表、数字家电、工业控制等领域。

使用时，其输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，因此如果电源系统处理得好那么整个系统的故障往往减少了一大半。

注意：

本次DSP开发实验板使用的电源是9V直流电源，由CZ1电源接口输入，接头上的电源极性为外正负。

图3系统电源电路

SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1%以，还具有电流限制和热保护功能，广泛用户在手持式仪表、数字家电、工业控制等领域。

使用时，其输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，因此如果电源系统处理得好那么整个系统的故障往往减少了一大半。

注意：

本次DSP开发实验板使用的电源是9V直流电源，由CZ1电源接口输入，接头上的电源极性为外正负。

2.5系统时钟电路

目前微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器，因此DSP2812也需要设计一个时钟电路。

简单的方法是利用微控制器部的晶体振荡器，但有些场合需要使用外部振荡源提供时钟信号。

PC2114/2124/2119/2129/2194可使用外部晶振或外部时钟源，部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。

倘若不使用片PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率围是1MHz～30MHz，外部时钟频率围是1MHz～50MHz；若使用了片PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率围是10MHz～25MHz，外部时钟频率围是10MHz～25MHz。

ARM开发实验板使用了外部11.0592MHz晶振，电路如图4所示，用1MΩ电阻R6并接到晶振的两端，使系统更容易起振。

用11.0592MHz晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能够支持很多型号的DSP2812芯片部PLL功能及ISP功能。

图4系统时钟电路

2.6复位电路

由于DSP芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。

本实验板的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片MAX708SD，提高系统的可靠性。

由于在进行JTAG调试时，nRST、TRST是可由JTAG仿真器控制复位的，所以使用了三态缓冲门74HC125进行驱动，电路如图5所示。

如图5，信号nRST连接到DSP2812芯片的复位脚RESET，信号nTRST连接到DSP2812芯片部JTAG接口电路复位脚TRST。

当复位按键RST按下时，MAX708SD立即输出复位信号，其引脚RST输出低电平导致74HC125C、74HC125D导通，信号nRST、nTRST将输出低电平使系统复位。

平时MAX708SD的RST输出高电平，74HC125C、74HC125D截止，由上拉电阻R4、R5将信号nRST、nTRST上拉为高电平，系统可正常运行或JTAG仿真调试。

制器在上电时状态并不确定，将造成微控制器不能正常工作。

为解决这个问题，所有的微控制器都有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的状态。

图5系统复位电路

这个复位逻辑需要一个复位信号才能正常工作。

一些微控制器在上电时自身会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号，因为这个信号会使微控制器初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。

因为阻容复位电路是最简单的复位电路，它成本低，但是它不能保证任何情况下都产生稳定的复位信号，所以一般场合需要使用专门的复位芯片。

如果系统不需要手动复位，则可以选择MAX809；如果系统需要手动复位，则可以选择SP708SCN。

复位芯片的复位门槛的选择至关重要，一般应当选择微控制器的I/O口供电电压为标准，针对DSP2812系列来说，这个围为3.0～3.6V，所以其复位门槛应当选择为2.93V。

本次电路设计使用的是复位芯片是SP708SCN。

2.7JTAG接口电路

采用DSP公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义及与DSP2812的连接如图6所示。

图中，JTAG接口上的信号nRST、nTRST与开发实验板的复位电路连接（参考图5），形成线与的关系，达到共同控制系统复位的目的。

根据DSP2812的应用手册说明，在RTCK引脚接一个4.7KΩ的下拉电阻，使系统复位后DSP2812部JTAG接口使能，这样就可以直接进行JTAG仿真调试了。

如果用户需要使用P1.26～P1.31作I/O，不进行JTAG仿真调试，则可以在用户程序过设置PINSEL2寄存器来使DSP2812部JTAG接口禁能。

另外，在TRACESYNC引脚通过跳线器JP12接一个4.7KΩ的下拉电阻，可以在系统复位时使能/禁能跟踪调试端口，禁能时（JP12断开）方可使用P1.16～P1.25作I/O。

图6JTAG调试接口电路

2.8串口及MODEM接口电路

由于系统是3.3V系统，所以使用了MAX3232进行RS232电平转换，MAX3232是3V工作电源的RS232转换芯片。

另外，由于在这里DSP2812/2124/2119/2129的UART1带有完整的调制解调器（MODEM）接口，所以要使用8路的RS232转换芯片SP3243ECA（或MAX3243ECA）。

如图7所示，JP5、JP6分别为UART0、UART1口线连接跳线，当把它们断开时，这些口线保留给用户作为其它功能使用。

当要使用ISP功能时，请把JP5短接，然后将PC的串口（如COM1）与开发实验板的CZ2相连，使用UART0进行通讯。

同时还要把JP8短接，使ISP的硬件条件得到满足。

用户通过CZ3直接连接MODEOM，由于在这里的电路中DSP2812/2124/2119/2129/2194的UART1控制MODEM拔号、通讯等等。

需要注意的是，DSP2812/2124/2119/2129/2194的ISP使能管脚（P0.14口）与DCD1功能脚复用，在系统复位时若P0.14口为低电平，则进入ISP状态；同样，在程序仿真调试过程中，若把JP8短接，则DCD1保持为低电平，影响MODEM接口正确使用。

图7串口及MODEM接口电路

2.9键盘电路

DSP开发实验板具有6个独立按键，分别为KEY1～KEY6，如图8所示。

由于GPIO作为输入时，部无上拉电阻，所以要使用R17～R22等6个上拉电阻，当没有按键时，口线值为1，当按键按下时为0；而R11～R16为口线保护电阻，即当连接按键的I/O设置为输出时，这几个电阻保证了输出口不会直接对地短路。

其中，KEY1、KEY5所连接的口线为P0.16、P0.20，这两个口分别与外部中断EINT0、EINT3复用，所以可用这两个按键进行外部中断的实验、唤醒掉电CPU的实验。

图8按键电路

真正的全双I/O口，可以独立控制每一根I/O口线的状态是输入还是输出，绝大多数I/O的输出为推挽输出，可以独立控制每一根I/O的输出状态。

虽然DSP2812的I/O电压为3.3V，通用I/O的输出最高为I/O口电源电压，但绝大多数通用I/O口能够承受5V电压的输入，作为输入时是处于高祖状态。

本次电路设计按键电路使用的是新式的按键电路HD7279A。

HD7279A是一片具有串行接口的,可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片,该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示,键盘接口的全部功能HD7279A部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式此外还具有多种控制指令如消隐,闪烁,左移,右移,段寻址等HD7279A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口,典型的应用有仪器仪表，工业控制，条形显示器，控制面板。

具体的资料及控制命令详细请参阅附录1。

几点说明

·证正确的时序是HD7279A正常工作的前提条件。

当选定了HD7279A的振荡元件RC和晶振之后，应调节延时时间,使时序中的T1～T8满足表2所列要求。

由表2所列的数值可知，HD7279A时序规定的时间围很宽，达10～50倍，很容易满足，但为了提高微处理器访问HD7279A的速度，在要求系统运行速度较快时，应仔细调试HD7279A的读写程序，使其运行时间接近最短。

·微处理器通过KEY引脚电平来判断是否有键按下，在使用查询方式管理键盘时，该引脚接至微处理器的1位I/O端口；如果使用中断方式，该引脚应接至微处理器的外部中断输入端。

同时应将该中断触发控制位设置成下降沿有效的边沿触发方式。

若置成电平触发方式，则应注意在按键时间较长时可能引起的多次中断问题。

·HD7279A没有提供组合键功能。

如果某些场合确需双键组合使用，可在微处理器某位I/O引脚接入一键,与HD7279A所连键盘共同组成双键功能。

　·HD7279A的3,5,26脚均为空闲引脚，一律悬空。

2.10LED显示电路

在显示方面，DSP2100开发实验板采用了一片74HC595驱动一位静态共阳LED数码管，如图9所示，其时钟（SCK）、数据（SI）分别接到DSP2812的SPI接口的SCLK0、MOSI0，这样就可以发送数据到74HC595；片选（RCK，即74HC595输出触发端）与P0.29口连接，由P0.29控制74HC595数据锁存输出；而最高位输出（SQH）连接到DSP2812的SPI接口的MISO0，可用来读回数据。

这样连接就可以进行SPI接口控制实验，并能把74HC595的移位输出读回来（由MISO0读回）。

这一部份电路可用JP3跳开。

在使用硬件SPI接口主方式时，要把SPI0/1的4个I/O口均设置为SPI功能，如P0.4、P0.5、P0.6、P0.7，而且SSEL0/1引脚不能为低电平，一般要接一个10KΩ的上拉电阻。

图9SPI驱动显示电路

另外，DSP实验板还具有4个独立的发光二极管LED1～LED4，分别由P0.22～P0.25输出控制，输出1时对应的LED熄灭，输出0时对应的LED点亮，电路如图10所示。

这一部份电路可用JP4跳开。

电路采用了I/O口灌电流的驱动方式来驱动LED，这样做主要是因为I/O口能提供的灌电流大于其拉电流，保证了LED的显示亮度。

如图10，限流电阻为470Ω，则当I/O输出0时，流过LED的电流计算公式如公式1所示。

图10LED控制电路

（公式1）

其中V为二极管的导通压降，一般为0.7V。

（公式2）

若需要进行大量数据显示，则可使用Protel99SE.exe软件进行模拟显示。

Protel99SE.exe是一款用于DSP开发实验板的上位机软件，具有8位模拟数码管显示，全仿真DOS屏显示，模拟日历时钟显示屏等，并且有20个模拟按键输入等，这一切均通过串口通讯控制操作。

2.11蜂鸣器

如图11所示，蜂鸣器使用PNP三极管Q1进行驱动控制，当P0.7控制电平输出0时，Q1导通，蜂鸣器蜂鸣；当P0.7控制电平输出1时，Q1截止，蜂鸣器停止蜂鸣；若把JP7断开，Q1截止，蜂鸣器停止蜂鸣。

Q1采用开关三极管8550，其主要特点是放大倍数高hFE=300，最大集电极电流ICM=1500mA，特征频率fT=100MHz。

R36用于限制Q1的基极电流，当P0.7输出0时，流过R36的电流如公式3所示，Ir为2.6mA，假设Q1工作在放大区，则Ic=β⋅Ib=400×2.6=1040mA；而一般直流蜂鸣器在3.3Ｖ电压下工作电流约为28mA，反过来说，只要Ic=28mA，蜂鸣器上的电压即可达到3.3V，此时Uec≈0V，即Ueb>Uec，Q1为深度饱和导通，为蜂鸣器提供足够的电流。

（公式3）

由于P0.7口与SPI部件的SSEL0复用，所以此管脚上接一上拉电阻R2，防止在使用硬件SPI总线时由于SSEL0引脚悬空导致SPI操作出错。

图11蜂鸣器设计电路

2.12I2C电路

DSP2812具有支持400K高速模式的硬件I2C接口，所以设计了CSI24WC02与其连接，实现I2C的读写操作实验。

如图12，总线上拉电阻R37、R38放在JP9跳线之后，当不使用CAT24WC02时，把JP9断开，两个上拉电阻就不会影响口线了（P0.2、P0.3）。

注意，P0.2和P0.3设置为输出时为开漏输出，若需要控制输出1，则必须连接上拉电阻。

为了支持高速I2C总线操作，总线上拉电阻R37、R38的大小为3KΩ，这样总线变化时上升/下降的速度就变快了。

若使用标准100KHz总线速度时，一般其总线上拉电阻为5.1KΩ或10KΩ，以减小总线操作时的功耗。

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。

在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。

各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像机一样只有拨通各自的才能工作。

图12I2C接口实验电路

 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：

开始信号、结束信号和应答信号。

 开始信号：

SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。

 结束信号：

SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。

 应答信号：

接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。

若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。

 I2C总线应用系统的典型结构如图13所示：

图13I2C应用典型结构框图

CALAYST公司特有的噪声保护施密特触发输入技术和ESD最小达到2000V，从而保证CAT24WC02系列E2PROM在极强的干扰下数据不丢失，因此CAT24WC02系列E2PROM在汽车电子及电度表、水表、煤气表中得到了广泛应用。

引脚功能如下表：

引脚

功能描述

A0、A1、A2

器件地址选择

SDA

串行数据/地址

SCL

串行时钟

Vcc

+1.8～6.0V工作电压

WP

写保护

GND

电源地

2.13USB接口

USB总线主要用于USB设备与USB主机之间的数据通信，特别为USB设备与USB主机之间大量数据的传输提供了高速可靠的传输协议。

例如在嵌入式系统中，可以利用USB设备与微控制器构成USB设备。

USB设备与PC机USB主控器相连就可以实现嵌入式系统与PC机之间的通信了，也就可以实现如U盘、移动硬盘、USB接口、打印机等功能。

 PDIUSBD12是一款性价比很高的USB器件。

它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。

它还支持本地的DMA传输。

     这种实现USB接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择出最合适的微控制器。

这种灵活性减小了开发的时间、风险以及费用（通过使用已有的结构和减少固件上的投资），从而用最快捷的方法实现最经济的USB外设的解决方案。

     PDIUSBD12完全符合USB1.1版的规。

它还符合大多数器件的分类规格：

成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。

同样地，PDIUSBD12理想地适用于许多外设，例如：

打印机、扫描仪、外部的存储设备（Zip驱动器）和数码相机等等。

它使得当前使用SCSI的系统可以立即降低成本。

 特性

符合通用串行总线（USB）1.1版规；

高性能USB接口器件，集成了SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器；

符合大多数器件的分类规格；

可与任何外部微控制器/微处理实现高速并行接口（2M字节/秒）；

完全自治的直接存存取（DMA）操作；

集成320字节多结构FIFO存储器；

主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输；

在批量模式和同步模式下均可实现1M字节/秒的数据传输速率；

具有良好EMI特性的总线供电能力；

在挂起时可控制LazyClock输出；

可通过软件控制与USB的连接；

采用GoodLink技术的连接指示器,在通讯时使LED闪烁；

可编程的时钟频率输出；

符合ACPI、OnNOW和USB电源管理的要求；

部上电复位和低电压复位电路；

有SO28和TSSOP28封装；

工业级操作温度：

－40℃～+85℃；

高于8kV的在片静电防护电路，减少了额外元件的费用；

具有高错误恢复率（>99%）的全扫描设计确保了高品质；

双电源操作：

3.3±0.3V或扩展的5V电源,围为3.6～5.5V；

多中断模式实现批量和同步传输。

PDIUSBD12具有8位的数据总线接口DATA0～DATA7，片选引脚CS_N以及读选通引脚RD_N和写选通引脚WR_N。

由此可见，PDIUSBD12的硬件接口和外部存储器接口很相似，因此，可以当作一片外部RAM芯片来进行访问。

ALE引脚应用于控制PDIUSBD12的微控制器的地址/数据为总线复用时的情况，如80C51微控制器的外部总线的低8位就是数据总线与地址总线的复用情况，但对于DSP2812微控制器，它的外部数据总线与地址总线是分开的，这时PDIUSBD12的DATA0～DATA7与DSP2812的数据总线的D0～D7直接相连就可以构成访问PDIUSBD12的数据总线了。

LCD液晶接口电路

液晶是一种在一定温度围呈现既不同于固态、液