近年來，隨著微控制器的發(fā)展，各類工業(yè)控制產(chǎn)品對現(xiàn)代數(shù)字控制器的需求也越來越大。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器／掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。微控制器（Microcontroller Unit，即MCU）可從不同方面進(jìn)行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機(jī)；根據(jù)存儲器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）微控制器。

1 浮點(diǎn)DSP TMS320C6713簡介

TMS320C6713 DSP是美國TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，它是32位高速浮點(diǎn)型DSP，時(shí)鐘最高頻率為300MHz。TMS320C6713主要特點(diǎn)有：（1）體系結(jié)構(gòu)采用超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，單指令字長為32位，指令包里有8個(gè)指令，總字長達(dá)到256位。執(zhí)行指令的功能單元已經(jīng)在編譯時(shí)分配好，程序運(yùn)行時(shí)通過專門的指令分配模塊，可以將每個(gè)256位的指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元，并由8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行。其最大處理能力可以達(dá)到2400MIPS。（2）采用二級緩沖處理，4KByte直接匹配的程序緩沖L1P，4KByte可匹配的數(shù)據(jù)緩沖L1D，256KByteL2額外匹配內(nèi)存。32位外部存儲器接口，可無縫連接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和SDRAM。（3）豐富的外設(shè)，包括DMA，EDMA，支持無需CPU參與可以在允許的地址空間里傳送數(shù)據(jù)，擴(kuò)展總線，具有主機(jī)口和I/O端口操作等功能，多通道緩沖串口，其通過配置能和多種串行通信接口通信，兩個(gè)32位通用定時(shí)器等。

CPU中包含8個(gè)功能單元，可以并行操作；有兩組寄存器，每組寄存器由16個(gè)32位寄存器組成。片內(nèi)程序存儲器的總線寬度為256 bit，每個(gè)周期可取8條32位指令。TMS320C6713功能框圖如圖1所示。

從總體上歸納一下，TMS320C6713具有以下特點(diǎn)：

1）高性能浮點(diǎn)DSP，主頻高達(dá)200 MHz，運(yùn)算速度最高可達(dá)1600 MIPS；

2）超長指令字（VLIW）DSP核：8個(gè)獨(dú)立功能單元（6個(gè)累加器和2個(gè)乘法器），32個(gè)32 bit的通用寄存器的存儲裝載結(jié)構(gòu)，可以大大縮減代碼的指令包；

3）L1／L2存儲器結(jié)構(gòu)：4 KB L1P程序緩存，4 KB L1D數(shù)據(jù)緩存：256 KB L2內(nèi)存：其中64 K字節(jié)可配置成緩存或存儲器，192 K字節(jié)統(tǒng)一映像內(nèi)存，可以靈活地定位為程序／數(shù)據(jù)空間；

4）32位外部存儲器接口（EMIF）：可配置異步存儲器接口，擴(kuò)展SRAM和E2PROM；可配置同步存儲器接口，可擴(kuò)展SDRAM和SBSRAM；可尋址512 MB外存空間；

5）16位的HPI接口，可訪問CPU的任意可尋址空間；

6）2個(gè)多通道緩存串口（McBSP）；

7）2個(gè)I2C總線主／從模式接口；

8）內(nèi)置靈活的PLL鎖相時(shí)鐘電路；

9）支持1EEE-1149.1（JTAG）邊界掃描接口；10）16路GPIO接口。

2 EMIF簡介

外部存儲器接口（EMIF），External Memory Interface，是TMS DSP器件上的一種接口。一般來說，EMIF可實(shí)現(xiàn)DSP與不同類型存儲器（SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等）的連接。一般EMIF與FPGA相連，從而使FPGA平臺充當(dāng)一個(gè)協(xié)同處理器、高速數(shù)據(jù)處理器或高速數(shù)據(jù)傳輸接口。設(shè)計(jì)接口提供了一個(gè)FPGA塊至RAM的無縫連接。在讀/寫、FIFO或存儲器模式中，雙端口塊RAM的一側(cè)被用來實(shí)現(xiàn)與DSP的通信。另一側(cè)用于實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部FPGA邏輯電路或平臺-FPGA嵌入式處理器的通信。在使用DSP的過程中，需要設(shè)計(jì)外部存儲器接口時(shí)可以參考TI的TMS320XX DSP External Memory Interface （EMIF） Reference Guide。其中XX代表某一種具體的dsp處理器。

TMS320C6000的EMIF接口，即外部存儲器接口（The External Memory Interface），支持各種外部器件的無縫接口。

簡單來說，EMIF接口就相當(dāng)于一個(gè)可配置的總線接口，其接口上面的信號線基本囊括了各種存儲器（SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等）的讀寫接口信號。通過軟件配置相應(yīng)的寄存器，可以使EMIF接口工作于和設(shè)計(jì)中使用的外部存儲器相匹配的固定的接口形式。

下面就本次設(shè)計(jì)使用的TMS320C6713為例詳細(xì)介紹一下EMIF。TMS320C6713的EMIF可以通過下面兩種請求器處理外部總線請求：片內(nèi)加強(qiáng)型直接存儲器存取EDMA控制器；外部共享存儲器的設(shè)備控制器。

圖2是TMS320C6713的EMIF接口信號示意圖。

圖2中，ECLKIN信號是系統(tǒng)提供的一個(gè)外部時(shí)鐘源。ECLKOUT信號是由內(nèi)部產(chǎn)生（基于ECLKIN），所有與本控制器EMIF接口對接的存儲器必須工作在ECLKOUT下。SBSRAM接口、SDRAM接口和異步接口的信號合并復(fù)用。這里的CE1片選空間支持所有的3種存儲器接口。

表1列出TMS320C6713的EMIF存儲器映射寄存器。通過設(shè)置這些寄存器，既可以將EMIF配置成為不同類型、不同位寬的總線接口，又可以配置總線讀寫時(shí)序的速度。由于EMIF接口的這一優(yōu)勢，設(shè)計(jì)者使用集成EMIF接口的控制芯片時(shí)，無論是擴(kuò)展外部存儲設(shè)備，還是利用EMIF接口進(jìn)行外部設(shè)備的讀取，其難度都大大降低。

3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 需求分析

本設(shè)計(jì)硬件任務(wù)主要是完成對主電路的電壓、電流的采集，具體的要求如表2所示。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

圖3所示是TMS320C6713外圍的主要的功能框圖。

如圖3所示，本設(shè)計(jì)的外圍器件主要包括：雙口RAM，用于與定點(diǎn)核DSP芯片（如TMS320F2812）交換數(shù)據(jù)；Boot Flash，當(dāng)程序的大小大于192 KB，用于存儲啟動程序；SDRAM，用作運(yùn)行部分程序的存儲介質(zhì)；CPLD，用于邏輯擴(kuò)展；AD7865，用于采集電壓電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

AD7865是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A／D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部有1個(gè)2.4μs的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，4個(gè)跟蹤／保持放大器，內(nèi)部2.5V參考電壓，同時(shí)片上還集成有時(shí)鐘振蕩器和1個(gè)高速并行接口。AD7865可大大簡化硬件電路設(shè)計(jì)。AD574轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，而AD7865完成四通道信號的同時(shí)轉(zhuǎn)換，則只需要100 μs。 AD7865內(nèi)部4個(gè)采樣通道的輸入信號是同步采樣的，只需發(fā)送1個(gè)脈沖的采樣啟動信號，芯片將自動完成采樣、逼近和存儲數(shù)據(jù)到片內(nèi)特定寄存器等工作，單路采樣速率350 KSPS，四路同時(shí)采集時(shí)100 kHz。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求可設(shè)定調(diào)理電路放大倍數(shù)為2倍（反相放大），則實(shí)際值與A／D的采樣值之間的關(guān)系可由式（1）表示。

實(shí)際值=采樣值／213x10／（-2）×傳感器系數(shù) （1）

若采樣值為正數(shù)時(shí)可用式（1），否則需先進(jìn)行求補(bǔ)處理。

AD7865的前端調(diào)理電路如圖4所示。

AD7865的外圍連接電路如圖5所示。

TMS320C6713的EMIF接口各信號線可以根據(jù)EMIF接口的示意圖（圖2）連接。在這里需要注意的是各信號線的上拉、下拉和信號線上的限流等措施。可按照如下原則設(shè)計(jì)：1）地址線和數(shù)據(jù)線以及控制線出口處可以串聯(lián)33 Ω的電阻，以達(dá)到限流的效果；2）對于某些敏感信號在默認(rèn)狀態(tài)下的電平，應(yīng)該通過上拉和下拉進(jìn)行確定。一般情況下，上拉電阻用10 kΩ的電阻，下拉電阻用1 kΩ的電阻。

CPLD的主要功能主要是實(shí)現(xiàn)邏輯擴(kuò)展，在本設(shè)計(jì)中，CPLD的主要工作是在DSP6713和多片AD7865芯片之間進(jìn)行信號的解析和傳遞。選用的CPLD芯片是ALTERA公司的EPM570，該芯片相較于其他同類型的CPLD而言，配置簡單、存儲容量大而價(jià)格較低廉。其外圍電路比較簡單，可以參考ALTERA公司關(guān)于該芯片的引腳功能表，在此不做贅述。

4 軟件實(shí)現(xiàn)與部分流程圖

4.1 EMIF接口的配置實(shí)現(xiàn)

TMS320C6713要實(shí)現(xiàn)EMIF接口數(shù)據(jù)讀取的首要條件是正確配置EMIF接口的寄存器，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

本設(shè)計(jì)將CE3作為外部AD的尋址空間，因此在這里主要需要配置的EMIF寄存器主要是全局控制寄存器GBLCTL和CE3空間控制寄存器。當(dāng)然，要正確地配置EMIF接口，必須要正確配置TMS320C6713的鎖相環(huán)（PLL）寄存器，在此處不具體說明。本設(shè)計(jì)中具體主要寄存器配置的幾個(gè)參數(shù)如下：

本設(shè)計(jì)中采用的EMIF接口方式為32位異步接口（MTYPE=0010b）。雖然AD7865是14位MD轉(zhuǎn)換器，配置為16位寬的接口方式也可以了，但是實(shí)際上，由于內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)為了計(jì)算方便而采用了32位的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位寬通常為32位，在進(jìn)行外部讀取時(shí)，如果采用16位寬度，那么一次讀取總線為了匹配數(shù)據(jù)長度，將要發(fā)送連續(xù)讀取兩次的讀信號，這在一定程度上雖然加快了A／D讀取的速度。

4.2 實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)

實(shí)際使用中，AD7865啟動轉(zhuǎn)換只需要給出片選和ADCONV信號。而它的讀取方式有兩種：

1）轉(zhuǎn)換過程中讀取數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)換一路讀取一路；

2）所有通道的信號均轉(zhuǎn)換完成后再順序讀取各通道數(shù)據(jù)。

兩種讀取方式的主要區(qū)別是：第1種讀取速度較快，但是時(shí)序要求較高，硬件連接復(fù)雜，增加軟硬件設(shè)計(jì)的難度；而第2種讀取速度相對較慢，但是時(shí)序要求不高，軟硬件設(shè)計(jì)也相對簡單?？紤]到系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)CPLD完成時(shí)序的能力較差，CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

實(shí)際采用的A／D轉(zhuǎn)換和讀取的主要流程如圖6所示。

5 測量結(jié)果

本文完成輔助控制器的設(shè)計(jì)后，對軟硬件進(jìn)行測試。

主要采用直流電源進(jìn)行測試，測試分為正向電壓、反向電壓（即認(rèn)為傳感器系數(shù)為1）。測試結(jié)果見表3。由表可知測試結(jié)果的誤差小于1％，完全符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

由測量數(shù)據(jù)和控制器的計(jì)算結(jié)果可知，本設(shè)計(jì)完成了基于EMIF接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。由系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)誤差較小，可以滿足各類工程的需求。通過在線調(diào)試?？煽吹皆趯?shí)際采樣過程中，采樣數(shù)據(jù)是在一個(gè)值附近波動，在某些對于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)度需求不是很高，而對數(shù)據(jù)的精確度需求較高的場合，可通過求取某一段較短時(shí)間內(nèi)的采樣平均值的方法來提高數(shù)據(jù)的精度。而且，由于控制器選用性能較高的TMS320C6000系列DSP，其性能和資源還有很大的可利用率。