基于DSP的低功耗高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及新器件的不斷涌現(xiàn)，電子系統(tǒng)在手持設(shè)備、便攜醫(yī)療儀器以及野外測試儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用中，由于客觀條件的限制，通常采用電池或蓄電池為儀器設(shè)備提供電源。在這種情況下，如要實現(xiàn)系統(tǒng)長時間工作，必然對儀器設(shè)備系統(tǒng)功耗的要求較高，因此低功耗系統(tǒng)的設(shè)計在這些應(yīng)用領(lǐng)域中得到廣泛重視。

1 TMS320VC5509簡介

TMS320VC5509（以下簡稱VC5509）是德州儀器（TI）公司針對低功耗應(yīng)用領(lǐng)域推出的一款低功耗高性能DSP，采用1.6V的核心電壓以及3.3V的外圍接口電壓，最低可支持0.9V的核心電壓以0.05mW/MIP的低功耗運行。VC5509支持豐富的外設(shè)接口，最高支持144MHz的時鐘頻率，片內(nèi)具有雙乘累加器，每周期可執(zhí)行一條指令或兩條并行指令，具有高達288MIPS的處理能力。VC5509內(nèi)部存儲器采用統(tǒng)一編址，帶有128K字RAM，其中包括32K字雙存取RAM（DARAM）以及96K字單存取RAM（SARAM），另外還有64KB片內(nèi)只讀ROM，并可以實現(xiàn)高達4MB的外部存儲空間擴展，是一款具有較高性價比的低功耗DSP芯片。VC5509的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)要求實現(xiàn)四通道同步采樣，每通道采樣頻率為50kHz，系統(tǒng)供電為+5V，全速運行時整體功耗低于250mW。針對這些技術(shù)指標，本系統(tǒng)以低功耗DSP芯片TMS320VC5509為核心，采用串行EEPROM作為程序存儲器，選用四片微功耗12位ADC實現(xiàn)四個通道模擬信號的同步采集。系統(tǒng)中設(shè)計鐵電存儲器（FRAM）作為掉電保護數(shù)據(jù)存儲器，并設(shè)計一個異步串口實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的通訊。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
在保證實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下，本系統(tǒng)從以下幾個方面進行低功耗的設(shè)計：低功耗器件的選擇；高效率的電源設(shè)計；系統(tǒng)工作模式以及接口設(shè)計。

2．1 低功耗器件的選擇以及接口設(shè)計

模擬通道信號輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片之前，需要對信號進行一定的調(diào)整?？梢岳眠\放構(gòu)成同相放大電路。這里使用的是TI公司的TLV2761。TLV2761是一款帶關(guān)斷功能的微功耗運放，工作電流僅為20μA，關(guān)斷時電流可低至10nA，TLV2761采用CMOS軌對軌輸入輸出，是專為電池供電等低功耗系統(tǒng)而設(shè)計的。

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用的是Analog Device的AD7854L。AD7854L是一款高速、低功耗的12位并行ADC，采樣頻率可以達到100ksps，采用3V～5V單電源供電，靜態(tài)工作電流最大為1.8mA，關(guān)斷模式下電流僅1μA。AD7854L支持單極性輸入及準差分輸入，單極性輸入的精度略高于差分輸入。該芯片采用CMOS工藝，正常工作時典型功耗為5.4mW，關(guān)斷模式下功耗僅為3.6μW。

本系統(tǒng)利用外部譯碼器對四片A/D芯片進行片選。A/D芯片正常工作時，需要系統(tǒng)提供一個工作時鐘輸入（CLKIN）以及一個啟動轉(zhuǎn)換信號輸入（/CONVST），對應(yīng)其轉(zhuǎn)換速率以及采樣速率。VC5409內(nèi)部具有兩個定時器，但只有一個定時器輸出，因此不適合利用。然而VC5509內(nèi)部具有三個同步串口，可對外輸出可編程串行時鐘信號（CLKX）以及幀同步信號（FSX），因此可直接利用一同步串口信號輸出作為A/D芯片所需要的時鐘信號輸入以及啟動轉(zhuǎn)換信號，這里使用的是同步串口1。ADC接口電路如圖3所示。