寬帶阻抗測量儀的設(shè)計——微處理器電路設(shè)計（一）

微處理器電路主要完成通信、數(shù)據(jù)處理、功能控制、人機交互等工作。主要由TMS320F2812、晶體振蕩器、電源控制、WATCHDOG等器件組成。其中晶體振蕩器、電源控制和WATCHDOG是TMS320F2812能夠正常運行的保證；DSP芯片配合完成各種控制任務(wù)。

5.1微處理器的選擇

目前，應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的微處理器主要有單片機、DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器）和ARM（Advanced RISC Machines，高級精簡指令集處理器）。

單片機的價格低廉，但性能較低、處理速度較慢，適用于對速度要求不高并且任務(wù)簡單控制系統(tǒng)中。

ARM架構(gòu)是面向低預(yù)算市場設(shè)計的第一款RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令系統(tǒng)計算機）微處理器，它提供一系列內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。精簡指令使微控制器的線路可以盡量優(yōu)化，硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，從而可以實現(xiàn)較低的成本和功耗。由于應(yīng)用ARM的所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行，可以有效地縮短應(yīng)用程序開發(fā)與測試的時間，也降低了研發(fā)費用。目前ARM在電子消費類產(chǎn)品中應(yīng)用較多。

ARM處理器具有比較強的事務(wù)管理功能，可以用來運行界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制以及低功耗方面。DSP主要是用來計算的，比如進行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢是強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度。DSP控制器的主要特點包括：

1.哈佛體系結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，這是DSP控制器的最大特色。哈佛結(jié)構(gòu)中，由于數(shù)據(jù)和程序存儲器在兩個分開的空間中，每個存儲器獨立編址，獨立訪問，并相應(yīng)設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，因此取指和執(zhí)行能完全重疊進行，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。

2.流水線操作 與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用多級流水線，取指、譯碼、執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲的操作可以并行、獨立地處理，這可使指令執(zhí)行能完全重疊，從而大大提高了處理器的處理速度。

3.內(nèi)置專用的硬件乘法器 DSP芯片有專用的硬件乘法器，乘法可在一個指令周期內(nèi)完成，這可以大大縮短數(shù)據(jù)處理算法中的乘法運算時間。這對于阻抗測量系統(tǒng)的設(shè)計來說非常重要，因為在裝置軟件中，對數(shù)據(jù)的處理算法中就有很多會用到大量的乘法運算。若能縮短每條乘法指令的運算時間，就可以大大節(jié)省程序運行時間。

在阻抗測量領(lǐng)域中，對主控制器的要求主要體現(xiàn)在運算速度、數(shù)據(jù)處理能力以及復(fù)雜算法的實現(xiàn)能力等，而對事務(wù)管理能力及低功耗的要求并不高。綜合考慮阻抗測量對主控制器的要求以及上述各控制器的特點，選用DSP作為主控制器。

當(dāng)今世界上，生產(chǎn)DSP控制器的大公司主要有TI公司（Texas Instruments Incorporated，德州儀器公司），AD公司（Analog Device Incorporated，模擬器件公司）、MOTOROLA公司等。

在眾多的DSP生產(chǎn)公司，本文選用了TI公司的DSP作為主控制器。選擇該公司的產(chǎn)品主要基于以下幾點考慮：

1.TI公司的DSP控制器種類齊全，并且該公司的DSP控制器屬于通用型DSP控制器，與單片機相比，具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和更豐富的硬件資源；與其它公司的專用型DSP控制器相比，應(yīng)用更加廣泛。

2.TI公司的DSP控制器每個系列的不同型號之間雖然外設(shè)可能變化很大，但在代碼上卻是繼承的，這樣利于用戶根據(jù)需要來改變自己的方案。

3.TI公司是世界上最大的DSP控制器供應(yīng)商，其DSP市場份額約占全世界份額的50%，在中國市場上，其份額占到了70%；TI公司的DSP在中國市場上的技術(shù)支持、服務(wù)及應(yīng)用情況都占絕對優(yōu)勢。

現(xiàn)在TI公司主要推出的產(chǎn)品包括三種DSP系列[29]，它們是TMS320C2000、TMS320C5000和TMS320C6000系列。其中，TMS320C5000和TMS320C6000系列都集成了高性能的CPU，其目標(biāo)是適用于大量存儲器和高級語言的微機系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)中。而TMS320C2000系列不集成高性能的CPU，而把許多其它功能，例如A/D、FLASH、定時器、CAN控制器、SPI接口、SCI接口、PWM等集成在一個芯片上。這種芯片外部擴展能力較弱，一般用于實時控制系統(tǒng)中。

阻抗測量系統(tǒng)屬于實時控制系統(tǒng)，基于阻抗測量的算法，處理速度以及成本的考慮，此次設(shè)計采用TI的TMS320C2000作為主控制器。

TMS320C2000中主要有TMS320C/F28x和TMS320C/（L）F24x兩個子系列。其中TMS320F28x是繼TMS320F24x之后出現(xiàn)的一種低價格、高性能的32位定點DSP芯片。它是在TMS320F28x為內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴展了相應(yīng)的存儲器并集成了大量的片內(nèi)外設(shè)而成的新一代適用于工業(yè)控制的DSP芯片。TMS320F2812就是其中的一種。

TMS320F2812中采用了多總線的哈佛結(jié)構(gòu)，這樣就使總線操作時序分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行指令四個獨立階段并行處理，從而極大地加快了微處理器芯片的處理速度。其中內(nèi)部地址總線分為3條，即程序地址總線（PAB）、數(shù)據(jù)讀地址總線（DRAB）和數(shù)據(jù)寫地址總線（DWAR）；內(nèi)部數(shù)據(jù)總線也對應(yīng)分為3條，即程序讀數(shù)據(jù)總線（PRDB）、數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)總線（DRDB）及數(shù)據(jù)程序?qū)憯?shù)據(jù)總線（DWDB）。而外部數(shù)據(jù)總線（XD，16位）和地址總線（XA，19位）仍為單一形式，這使得眾多的外圍芯片可與其兼容。

與多組總線形式的哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，在TMS320F2812處理器中采用了流水線操作以減少指令執(zhí)行時間，允許DSP同時進行程序指令和存儲數(shù)據(jù)的訪問，從而增強了處理器的處理能力。在TMS320F2812中采用了八級邏輯流水線，也就是說，處理器可以并行處理多條指令，每條指令處于流水線上的不同階段，從而實現(xiàn)了一種并行處理的機制。同時，TMS320F2812還具有專門針對片上Flash存儲器的Flash流水線模式，能顯著提高指令從Flash中執(zhí)行的速度。

TMS320F2812具有低功耗的特點，它采用靜態(tài)CMOS工藝，芯片供電電壓為1.8V（內(nèi)核）、3.3V（I/O），相比于采用5V工作電壓的系統(tǒng)，它的功耗可降低很多。

TMS320F2812片內(nèi)有多種形式的存儲器及多個不同的存儲空間。采用程序與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的存儲體組織形式，為用戶分配存儲器提供了很大的靈活性。TMS320F2812提供了外部存儲器接口，可擴展1M的外部存儲器。由于TMS320F2812本身具有非常大的Flash，所以一般不必外擴ROM，外部RAM可以根據(jù)需要進行擴充。