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基于低功耗高性能DSP芯片TMS320VC5509实现高速数据采集系统的设计

2020年09月11日 10:40 次阅读
仪器等领域得到了广泛的应用。在这些领域的应用中,由于客观条件的限制,通常采用电池或蓄电池为仪器设备提供电源。在这种情况下,如要实现系统长时间工作,必然对仪器设备系统功耗的要求较高,因此低功耗系统的设计在这些应用领域中得到广泛重视。

1 TMS320VC5509简介

芯片TMS320VC5509(以下简称VC5509)是德州仪器TI)公司针对低功耗应用领域推出的一款低功耗高性能DSP,采用1.6V的核心电压以及3.3V的外围电压,最低可支持0.9V的核心电压以 0.05mW/P的低功耗运行。VC5509支持丰富的外设接口,最高支持144MHz的频率,片内具有双乘累加器,每周期可执行一条指令或两条并行指令,具有高达288MIPS的处理能力。VC5509内部采用统一编址,带有128K字RAM,其中包括32K字双存取RAM(DARAM)以及96K字单存取RAM(SARAM),另外还有64KB片内只读ROM,并可以实现高达4MB的外部存储空间扩展,是一款具有较高性价比的低功耗 DSP芯片。VC5509的结构框图如图1所示。

基于低功耗高性能DSP芯片TMS320VC5509实现高速数据采集系统的设计

千亿体育官网 2 系统设计与实现

本系统要求实现四通道同步采样,每通道采样频率为50kHz,系统供电为+5V,全速运行时整体功耗低于250mW。针对这些技术指标,本系统以低功耗 DSP芯片TMS320VC5509为核心,采用串行EEPROM作为程序存储器,选用四片微功耗12位ADC实现四个通道模拟信号的同步采集。系统中设计铁电存储器(FRAM)作为掉电保护数据存储器,并设计一个异步串口实现与外部系统的通讯。系统原理框图如图2所示。

在保证实现系统功能的前提下,本系统从以下几个方面进行低功耗的设计:低功耗器件的选择;高效率的电源设计;系统工作模式以及接口设计。

2.1 低功耗器件的选择以及接口设计

模拟通道信号输入A/D转换芯片之前,需要对信号进行一定的调整。可以利用运放构成同相放大。这里使用的是公司的TLV2761。TLV2761是一款带关断功能的微功耗运放,工作电流仅为20μA,关断时电流可低至10nA,TLV2761采用CMOS轨对轨输入输出,是专为电池供电等低功耗系统而设计的。

A/D转换芯片采用的是Analog Device的AD785。AD7854L是一款高速、低功耗的12位并行ADC,采样频率可以达到100ksps,采用3V~5V单电源供电,静态工作电流最大为1.8mA,关断模式下电流仅1μA。AD7854L支持单极性输入及准差分输入,单极性输入的精度略高于差分输入。该芯片采用CMOS工艺,正常工作时典型功耗为5.4mW,关断模式下功耗仅为3.6μW。

基于低功耗高性能DSP芯片TMS320VC5509实现高速数据采集系统的设计

本系统利用外部译码器对四片A/D芯片进行片选。A/D芯片正常工作时,需要系统提供一个工作时钟输入(CLKIN)以及一个启动转换信号输入(/CONVST),对应其转换速率以及采样速率。VC5409内部具有两个,但只有一个定时器输出,因此不适合利用。然而VC5509内部具有三个同步串口,可对外输出可编程串行时钟信号(CLKX)以及帧同步信号(FSX),因此可直接利用一同步串口信号输出作为A/D芯片所需要的时钟信号输入以及启动转换信号,这里使用的是同步串口1。ADC接口电路如图3所示。

千亿体育官网 系统工作流程大致如下:系统上电之后,程序初始化部分对同步串口1进行设置,使四片A/D芯片同时开始工作;利用其中一片A/D芯片的BUSY输出信号触发DSP的外部中断0;设置数据缓冲区;在主程序中对采集到的数据进行必要的处理;在中断服务程序中依次从读入四片A/D芯片的数据。

VC5509内部没有FLASH,其程序加载需要外部存储器。VC5509支持比较多的引导加载方式,这里采用的是SPI接口的EEPROM加载,如图4所示。芯片选用的是ATMEL公司的SPI接口的低电压串行EEPROM AT25256。AT25256主要适用于低功耗场合,内部按照32k×8位组织,可以工作在3.3V电压下,最大串行时钟频率为2.1MHz。支持64字节的页写方式以及字节写方式。另外,AT25256还可以通过设置写保护引脚/WP的电平来设置芯片的只读或可写状态。

基于低功耗高性能DSP芯片TMS320VC5509实现高速数据采集系统的设计

VC5509采用SPI接口EEPROM模式加载时,默认同步串口0的信号引脚来模拟SPI接口,GPIO4作为EEPROM片选输入。

千亿体育官网 VC5509 具有128K字节内RAM,为扩展数据存储备份,外部扩展了两片铁电存储器作为数据存储器,如图5所示。这里选用的是RAMTRON公司的 FM108。铁电存储器具有非易失性存储器的特征,同时具有类似RAM的读写操作(非常方便),近两年应用越来越广泛。FM18L08内部按照32K ×8位组织,访问周期为70ns,读写操作周期相同,易于使用。同时它也是一款支持低电压工作的芯片,3.3V时典型工作电流为5mA,典型静态电流为 7μA。

2.2 高效率电源的设计

VC5509 工作在双电源电压下,其核心电压为1.6V,电压为3.3V。对双电压电源系统,常用的是有线性稳压电源以及稳压电源,根据两者对电压转换的原理的不同,电压的转换效率也有很大区别。对于线性稳压电源,多用在较大的负载电流场合,其整体系统功耗分为两部分,一部分为所有低功耗器件消耗,另一部分为线性稳压器件本身所消耗。以输入5V直流电压转换到3.3V电压为例,理论电压转换效率约为66%。假设系统电流为50mA,则整个系统功耗实际上为 50×5=250mW,而并非50×3.3=165mW。而对于开关稳压器件,选用合适的器件,电压转换效率可以达到95%以上,电源器件本身消息功率可以极少,对相同的系统电流,整体系统功耗极大降低。因此,在低功耗小电流场合,选用开关稳压电源器件更为适合。

基于低功耗高性能DSP芯片TMS320VC5509实现高速数据采集系统的设计

千亿体育官网 这里选用的是公司的TPS62000系列开关稳压器件TPS62000(可调输出)和TPS62007(固定输出3.3V)。TPS62000系列是专为低功耗而设计的一系列电源器件,在输出电流为10mA时,效率可达90%。同时,TPS62000系列工作在低功耗模式时,可根据负载电流的大小自动在PWM和 PFM模式之间切换,以节省功耗。在双电源系统中,核心电压必须先于I/O电压上电,后于I/O电压断电,这里利用TPS62000的PG信号作为 TPS62007的EN信号来实现。

2.3 系统的工作模式及接口设计

千亿体育官网 由于VC5509不具备异步串口,因此利用并/串转换芯片TL16C750将其并口扩展为异步串口对外接口。

对整个系统而言,选择工作在较低电压下的低功耗芯片可以降低系统功耗;同时,设置适合的工作方式也可以降低系统功耗。对系统中大多数芯片而言,都带有关断控制或者自动工作模式切换功能,因此不需人为干预,系统的功耗最终很大程度上落在DSP上。在不影响系统工作性能的前提下,适当降低DSP工作主频可以降低系统功耗。

基于低功耗高性能DSP芯片TMS320VC5509实现高速数据采集系统的设计

利用以上方案搭建的VC5509低功耗高速采集系统,在保证达到50kHz对四通道数据进行同步采集的要求下,适当降低DSP工作主频可以降低系统功耗,满足实际要求,并且已经得到验证。

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