基于DSP的低功耗高速数据采集系统设计 德州仪器, 数据采集, 电子技术, 测试仪器, 蓄电池

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随着电子技术的发展及新器件的不断涌现，电子系统在手持设备、便携医疗仪器以及野外测试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
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的外围接口电压，最低可支持0.9V的核心电压以0.05mW/MIP的低功耗运行。VC5509支持丰富的外设接口，最高支持144MHz的时钟频率，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内部存储器采用统一编址，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。

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电路。这里使用的是TI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AD7854L。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。

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内部具有两个定时器，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。
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并口读入四片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。

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。
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FM18L08。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，I/O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开关稳压电源，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。

这里选用的是TI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CPU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
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。

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。