基于EMIF接口的数据采集系统的设计

近年来，随着微控制器的发展，各类工业控制产品对现代数字控制器的需求也越来越大。这又反过来推动了现代大规模集成电路和微控制器的不断发展，同时各类数字处理器的工作频率也越来越快，例如TI公司的控制器TMS320C6000可达到200 MHz。而为了支持与各种外部存储器之间的无缝对接，TMS320C6000系列处理芯片加入了外部存储器接口(The External Memory Interface，EMIF)。本次设计主要是以TI公司的浮点核芯片TMS320C6713为主要控制器。

1 浮点DSP TMS320C6713简介
TMS320C6713是一款高性能浮点DSP，其工作主频可达200 MHz，其单指令执行周期仅5 ns，具有强大的定点浮点运算能力，运算速度高达1 600MIPS／1 200MFLOPS。
TMS320C6713处理器由3个主要部分组成：CPU内核、存储器和外设。
CPU中包含8个功能单元，可以并行操作；有两组寄存器，每组寄存器由16个32位寄存器组成。片内程序存储器的总线宽度为256 bit，每个周期可取8条32位指令。外设包括扩展的直接存储器访问(EDMA)、低功耗、外部存储器接口(EMIF)，串口、McBSP接口、IIC接口和定时器等。TMS320C6713功能框图如图1所示。

从总体上归纳一下，TMS320C6713具有以下特点：
1)高性能浮点DSP，主频高达200 MHz，运算速度最高可达1600 MIPS；
2)超长指令字(VLIW)DSP核：8个独立功能单元(6个累加器和2个乘法器)，32个32 bit的通用寄存器的存储装载结构，可以大大缩减代码的指令包；
3)L1／L2存储器结构：4 KB L1P程序缓存，4 KB L1D数据缓存：256 KB L2内存：其中64 K字节可配置成缓存或存储器，192 K字节统一映像内存，可以灵活地定位为程序／数据空间；
4)32位外部存储器接口(EMIF)：可配置异步存储器接口，扩展SRAM和E2PROM；可配置同步存储器接口，可扩展SDRAM和SBSRAM；可寻址512 MB外存空间；
5)16位的HPI接口，可访问CPU的任意可寻址空间；
6)2个多通道缓存串口(McBSP)；
7)2个I2C总线主／从模式接口；
8)内置灵活的PLL锁相时钟电路；
9)支持1EEE-1149．1(JTAG)边界扫描接口；10)16路GPIO接口。
与其他DSP相比较而言，TMS320C6713的主要优点是运行速度快、存储配置方便、资源丰富，这些都给微控制器的设计带来了很大的便利。

2 EMIF简介
TMS320C6000的EMIF接口，即外部存储器接口(The External Memory Interface)，支持各种外部器件的无缝接口，包括：流水线式同步猝发SRAM(SBSRAM)；异步DRAM(SDRAM)；异步器件，包括SIAM、ROM和FIFO等；外部共享存储器。
简单来说，EMIF接口就相当于一个可配置的总线接口，其接口上面的信号线基本囊括了各种存储器(SRAM、Flash RAM、DDR-RAM等)的读写接口信号。通过软件配置相应的寄存器，可以使EMIF接口工作于和设计中使用的外部存储器相匹配的固定的接口形式。但是与其他固定接口不同的是，EMIF接口读写时序中的高低电平的保持时间是可以通过寄存器设置的。
下面就本次设计使用的TMS320C6713为例详细介绍一下EMIF。TMS320C6713的EMIF可以通过下面两种请求器处理外部总线请求：片内加强型直接存储器存取EDMA控制器；外部共享存储器的设备控制器。
图2是TMS320C6713的EMIF接口信号示意图。

图2中，ECLKIN信号是系统提供的一个外部时钟源。ECLKOUT信号是由内部产生(基于ECLKIN)，所有与本控制器EMIF接口对接的存储器必须工作在ECLKOUT下。SBSRAM接口、SDRAM接口和异步接口的信号合并复用。这里的CE1片选空间支持所有的3种存储器接口。

表1列出TMS320C6713的EMIF存储器映射寄存器。通过设置这些寄存器，既可以将EMIF配置成为不同类型、不同位宽的总线接口，又可以配置总线读写时序的速度。由于EMIF接口的这一优势，设计者使用集成EMIF接口的控制芯片时，无论是扩展外部存储设备，还是利用EMIF接口进行外部设备的读取，其难度都大大降低。这在一定程度上也使得具有EMIF接口的高速控制核心(TMS320C6000系列的DSP)在将来能够得到更加广泛的应用。

3 硬件电路设计与实现
3．1 需求分析
本设计硬件任务主要是完成对主电路的电压、电流的采集，具体的要求如表2所示。

3．2 硬件设计
图3所示是TMS320C6713外围的主要的功能框图。

如图3所示，本设计的外围器件主要包括：双口RAM，用于与定点核DSP芯片(如TMS320F2812)交换数据；Boot Flash，当程序的大小大于192 KB，用于存储启动程序；SDRAM，用作运行部分程序的存储介质；CPLD，用于逻辑扩展；AD7865，用于采集电压电流的实时数据。
AD7865是一种高速、低功耗、四通道同步采样的14位A／D转换芯片，该芯片内部有1个2．4μs的逐次逼近型A／D转换器，4个跟踪／保持放大器，内部2．5V参考电压，同时片上还集成有时钟振荡器和1个高速并行接口。AD7865可大大简化硬件电路设计。AD574转换时间为25μs，而AD7865完成四通道信号的同时转换，则只需要100 μs。 AD7865内部4个采样通道的输入信号是同步采样的，只需发送1个脉冲的采样启动信号，芯片将自动完成采样、逼近和存储数据到片内特定寄存器等工作，单路采样速率350 KSPS，四路同时采集时100 kHz。
根据设计需求可设定调理电路放大倍数为2倍(反相放大)，则实际值与A／D的采样值之间的关系可由式(1)表示。
实际值=采样值／213x10／(-2)×传感器系数 (1)
若采样值为正数时可用式(1)，否则需先进行求补处理。
AD7865的前端调理电路如图4所示。