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隨著電子技術的發展及新器件的不斷涌現，電子系統在手持設備、便攜醫療儀器以及野外測試儀器等領域得到了廣泛的應用。在這些領域的應用中，由于客觀條件的限制，通常采用電池或蓄電池為儀器設備提供電源。在這種情況下，如要實現系統長時間工作，必然對儀器設備系統功耗的要求較高，因此低功耗系統的設計在這些應用領域中得到廣泛重視。 1 TMS320VC5509簡介 TMS320VC5509（以下簡稱VC5509）是德州儀器（TI）公司針對低功耗應用領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支持豐富的外設接口，最高支持144MHz的時鐘頻率，片內具有雙乘累加器，每周期可執行一條指令或兩條并行指令，具有高達288MIPS的處理能力。VC5509內部存儲器采用統一編址，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片內只讀ROM，并可以實現高達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的結構框圖如圖1所示。 2 系統設計與實現 本系統要求實現四通道同步采樣，每通道采樣頻率為50kHz，系統供電為+5V，全速運行時整體功耗低于250mW。針對這些技術指標，本系統以低功耗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實現四個通道模擬信號的同步采集。系統中設計鐵電存儲器（FRAM）作為掉電保護數據存儲器，并設計一個異步串口實現與外部系統的通訊。系統原理框圖如圖2所示。 在保證實現系統功能的前提下，本系統從以下幾個方面進行低功耗的設計：低功耗器件的選擇；高效率的電源設計；系統工作模式以及接口設計。 2．1 低功耗器件的選擇以及接口設計 模擬通道信號輸入A/D轉換芯片之前，需要對信號進行一定的調整。可以利用運放構成同相放大電路。這里使用的是TI公司的TLV2761。TLV2761是一款帶關斷功能的微功耗運放，工作電流僅為20μA，關斷時電流可低至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而設計的。 A/D轉換芯片采用的是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，靜態工作電流最大為1.8mA，關斷模式下電流僅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，關斷模式下功耗僅為3.6μW。 本系統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，需要系統提供一個工作時鐘輸入（CLKIN）以及一個啟動轉換信號輸入（/CONVST），對應其轉換速率以及采樣速率。VC5409內部具有兩個定時器，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換信號，這里使用的是同步串口1。ADC接口電路如圖3所示。 系統工作流程大致如下：系統上電之后，程序初始化部分對同步串口1進行設置，使四片A/D芯片同時開始工作；利用其中一片A/D芯片的BUSY輸出信號觸發DSP的外部中斷0；設置數據緩沖區；在主程序中對采集到的數據進行必要的處理；在中斷服務程序中依次從并口讀入四片A/D芯片的數據。 VC5509內部沒有FLASH，其程序加載需要外部存儲器。VC5509支持比較多的引導加載方式，這里采用的是SPI接口的EEPROM加載，如圖4所示。芯片選用的是ATMEL公司的SPI接口的低電壓串行EEPROM AT25256。AT25256主要適用于低功耗場合，內部按照32k×8位組織，可以工作在3.3V電壓下，最大串行時鐘頻率為2.1MHz。支持64字節的頁寫方式以及字節寫方式。另外，AT25256還可以通過設置寫保護引腳/WP的電平來設置芯片的只讀或可寫狀態。 VC5509采用SPI接口EEPROM模式加載時，默認同步串口0的信號引腳來模擬SPI接口，GPIO4作為EEPROM片選輸入。 VC5509具有128K字節內RAM，為擴展數據存儲備份，外部擴展了兩片鐵電存儲器作為數據存儲器，如圖5所示。這里選用的是RAMTRON公司的FM18L08。鐵電存儲器具有非易失性存儲器的特征，同時具有類似RAM的讀寫操作（非常方便），近兩年應用越來越廣泛。FM18L08內部按照32K×8位組織，訪問周期為70ns，讀寫操作周期相同，易于使用。同時它也是一款支持低電壓工作的芯片，3.3V時典型工作電流為5mA，典型靜態電流為7μA。 2．2 高效率電源的設計 VC5509工作在雙電源電壓下，其核心電壓為1.6V，I/O電壓為3.3V。對雙電壓電源系統，常用的是有線性穩壓電源以及開關穩壓電源，根據兩者對電壓轉換的原理的不同，電壓的轉換效率也有很大區別。對于線性穩壓電源，多用在較大的負載電流場合，其整體系統功耗分為兩部分，一部分為所有低功耗器件消耗，另一部分為線性穩壓器件本身所消耗。以輸入5V直流電壓轉換到3.3V電壓為例，理論電壓轉換效率約為66%。假設系統電流為50mA，則整個系統功耗實際上為50×5=250mW，而并非50×3.3=165mW。而對于開關穩壓器件，選用合適的器件，電壓轉換效率可以達到95%以上，電源器件本身消息功率可以極少，對相同的系統電流，整體系統功耗極大降低。因此，在低功耗小電流場合，選用開關穩壓電源器件更為適合。 這里選用的是TI公司的TPS62000系列開關穩壓器件TPS62000（可調輸出）和TPS62007（固定輸出3.3V）。TPS62000系列是專為低功耗CPU而設計的一系列電源器件，在輸出電流為10mA時，效率可達90%。同時，TPS62000系列工作在低功耗模式時，可根據負載電流的大小自動在PWM和PFM模式之間切換，以節省功耗。在雙電源系統中，核心電壓必須先于I/O電壓上電，后于I/O電壓斷電，這里利用TPS62000的PG信號作為TPS62007的EN信號來實現。 2．3 系統的工作模式及接口設計 由于VC5509不具備異步串口，因此利用并/串轉換芯片TL16C750將其并口擴展為異步串口對外接口。 對整個系統而言，選擇工作在較低電壓下的低功耗芯片可以降低系統功耗；同時，設置適合的工作方式也可以降低系統功耗。對系統中大多數芯片而言，都帶有關斷控制或者自動工作模式切換功能，因此不需人為干預，系統的功耗最終很大程度上落在DSP上。在不影響系統工作性能的前提下，適當降低DSP工作主頻可以降低系統功耗。 利用以上方案搭建的VC5509低功耗高速采集系統，在保證達到50kHz對四通道數據進行同步采集的要求下，適當降低DSP工作主頻可以降低系統功耗，滿足實際要求，并且已經得到驗證。 |
