多通道模/數轉換器AD7890與DSP的接口設計

黃 浦 楊秀麗 李 軍等

摘 要:為提高現代數字控制系統中多通道模/數轉換的效率,介紹串行多通道模/數轉換器AD7890工作原理。選用TMS320F2812作為處理器,給出AD7890與DSP串行外設接口的硬件實現方法、電平轉換方法及軟件實現流程。實際應用表明,系統的A/D轉換效率較高,性能穩定。為實現多軸數字控制系統的A/D轉換功能提供了一種新的方案。

關鍵詞:多通道模/數轉換器;DSP;串行外設接口;轉換效率

中圖分類號:TP335+.1

隨著工業技術進步,對數字控制伺服系統中執行效率和集成化程度的要求越來越高。比如用單處理器控制多個伺服系統時,對多通道A/D轉換的效率要求較高。以往較多地使用多路模擬開關與單通道A/D轉換器來實現,效率較低,使用模擬開關帶來的噪聲也比較嚴重。在此,選用串行多通道A/D轉換器AD7890與TMS320F2812處理器的SPI接口組成A/D轉換模塊,非常適合應用于多軸伺服系統。

AD7890是一款8通道12位串行A/D轉換器,具有高轉換效率(轉換時間僅為5.9 μs)、高速靈活的串行接口、多通道等優點‐[1]。其中,AD7890[CD*2]10輸入電壓范圍為-10~+10 V。TMS320F2812處理器上集成了多種先進的外設,為實現電機及其他運動控制領域的應用提供了良好的平臺,它所提供的SPI接口通常用于DSP處理器和外部設備及其他處理器之間的通信。SPI分主、從兩種工作方式,數據長度可編程(1～16 b),并能同時進行接收和發送操作,通常用于DSP處理器和外部外設以及其他處理器之間的通信,這使它能很方便地與AD7890采用主/從模式進行通信。

1 AD7890工作模式和原理

AD7890的SMODE引腳是工作模式控制輸入端,它決定了器件是工作于外部時鐘模式(作為從設備),還是內部時鐘模式(作為主設備)。當SMODE置于高電平時,器件工作在外部時鐘模式,由主設備提供時鐘信號SCLK和接收幀同步信號㏑FS猍TX-],AD7890可接收的最大串行時鐘頻率達10 MHz;當SMODE置于低電平時,器件工作在內部時鐘模式,自身提供時鐘信號SCLK和接收幀同步信號㏑FS猍TX-],其時鐘頻率由CLK引腳輸入時鐘頻率決定。本文以DSP作為主控制器,AD7890作為從設備,由DSP的SPI口提供串行時鐘。

AD7890通過片內高速雙向串行數據接口接收控制字和輸出轉換結果。通過向控制寄存器寫數據可以確定轉換通道、轉換開始信號等信息。其控制寄存器包含5位數據,因此至少需要6個SCLK脈沖才能完成對寄存器的寫操作。其中,A2,A1,A0分別為通道地址選擇最高位、次高位、最低位。通道選擇算法為:通道號=4A2+2A1+A2+1。發送數據的第5個SCLK脈沖下降沿過后的數據均為無效數據。控制字寫入寄存器后,器件即啟動內部延時脈沖,保證在轉換開始前跟蹤/保持器有足夠的時間來完成轉換通道的建立和切換。該延時脈沖寬度取決于引腳電容的獵〦XT值‐[3]。一般引腳電容值取獵〦XT120 pF或200 pF。據測試,此時延時脈沖寬度分別約為7.0 μs和9.6 μs。向控制寄存器寫數據時獵〦XT,引腳電平由低變高,電容在第6個時鐘脈沖的下降沿開始放電,電壓降低至2.5 V以下時內部延時脈沖結束,同時A/D轉換開始,5.9 μs后轉換結束。若此時串行讀操作已完成,且㏑FS猍TX-]已變高為高電平,則用新的轉換結果更新輸出寄存器。至此,一次A/D轉換結束。圖1為AD7890工作原理圖,從示波器獲取的圖片顯示了獵〦XT引腳電平、SCLK脈沖與A/D轉換過程時間的關系。

2 AD7890工作時序與讀寫操作方法

控制AD7890的轉換開始有兩種方法。一是,硬件控制,即將〤ONVST猍TX-]引腳置低,器件產生一個窄低電平脈沖,在脈沖的上升沿A/D轉換開始,前提是須向CONV位寫0;二是,軟件控制,即向控制寄存器的CONV位寫1,此時〤ONVST猍TX-]引腳不起作用。二者區別在于,采用硬件控制轉換開始時,在〤ONVST猍TX-]上升沿啟動轉換,此時必須保證內部延時脈沖已經結束;對于軟件控制,內部延時脈沖結束時轉換立即開始。需要說明的是,在向控制寄存器寫數據時,6個寫操作時鐘脈沖結束前,發送幀同步信號㏕FS猍TX-]必須保持低電平,否則寫操作不能成功。而讀取A/D轉換結果期間,接收幀同步信號㏑FS猍TX-]必須保持低電平。㏑FS猍TX-]和㏕FS猍TX-]連在一起,使SPI口的讀、寫操作同時進行。

以DSP作為主設備,AD7890作為從設備,即工作在外部時鐘模式下,此時讀、寫操作時序分別如圖2所示。DSP的㏒PISTE猍TX-]引腳具有從設備片選功能,該引腳為低時可向從設備發送數據,文中將該引腳作為通用收、發幀同步信號來控制㏑FS猍TX-]和㏕FS猍TX-]。

3 AD7890與TMS320F2812的SPI接口硬件實現

TMS320F2812是TI公司推出的數字信號處理器,它在電機控制方面性能優越,使其在工業控制中得到了非常廣泛的應用。它所提供的串行外設接口(SPI)是一個高速同步的串行輸入/輸出口,包含4個外部引腳:從輸出/主輸入引腳(SPISOMI)、從輸入/主輸出引腳(SPISIMO)、從發送使能引腳(㏒PISTE猍TX-])、串行時鐘引腳(SPICLK)。SPI主要特點是可以同時發送和接收串行數據;可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發送結束中斷標志。

確定DSP的低速外設時鐘LSPCLK后,通過波特率控制寄存器SPIBRR,確定波特率SCLK。波特率具體計算方法是‐[7]:當SPIBRR=3~127時,SCLK=LSPCLK/(SPIBRR+1);當SPIBRR=0,1,2時,SCLK=LSPCLK/4,因此共具有125種可編程波特率。文中,DSP的工作頻率為120 MHz,低速時鐘LSPCLK為30 MHz,故可編程波特率范圍為234.375 kb/s~7.5 Mb/s。通過提高系統低速時鐘,可以提高可編程波特率范圍;通過選較高的波特率,能提高數據傳輸速率,即提高A/D的轉換效率。

AD7890[CD*2]10與TMS320[CD*2]F2812的SPI接口硬件連接框圖如圖3所示。

[JP2]由于AD7890[CD*2]10數據電平為5 V,而TMS320F2812的I/O所能承受的電壓最高為3.3 V,因此必須對A/D轉換結果進行電平轉換,將其轉換為I/O口可承受的電壓。把5 V電平轉為3.3 V電平有多種方法。常用的有兩種。一是選用專門的電平轉換器件,如TI公司的SN74LVTH16245;二是把A/D轉換結果通過系統中CPLD的I/O口再輸出到DSP,前提是所選CPLD可承受輸入電壓為5 V,而輸出為3.3 V‐[8]。本文采用后一種方法,選用的是Altera公司的EPM7128STI100[CD*2]10,給CPLD的I/O口供3.3 V電源即可滿足要求‐[9]。將A/D數據通過一個CPLD的一個I/O口轉接,經軟件進行邏輯處理后輸出至DSP即可。

需要注意的是,為避免噪聲干擾,AD7890的所有未用引腳不能懸空,必須接可承受范圍內的固定電平。實驗表明,特別是CLKIN引腳不能懸空,否則可能導致A/D轉換不能成功。對于AD7890[CD*2]10,當未使用的輸入通道電壓值低于-12 V時會對所選其他通道的轉換造成嚴重干擾。文中采取的方法是將外部時鐘輸入引腳SCLK與內部時鐘輸入引腳CLKIN相連,可以有效去除干擾。

4 軟件讀寫實現

對于SPI接口而言,數據與串行時鐘脈沖是同時產生的,即只有數據線上有數據傳送時才產生時鐘脈沖。所以發送控制數據結束后,DSP收到的數據并不是真實的A/D轉換結果,但需要讀取接收緩沖寄存器數據使SPI復位。多次實驗表明,對于單次A/D轉換,在轉換結束后需要再向AD7890發送2次空控制數據0x0000,之后DSP的SPI接收緩沖寄存器中的數據才是正確的A/D轉換結果,即每次A/D采樣循環需要進行三次數據交換才能得到有效A/D轉換數據。采用查詢方式判斷數據是否發送結束,即SPI狀態寄存器SPI INT FLAG位為1時表示已完成數據發送。軟件實現A/D轉換的流程框圖如圖4所示。

對于AD7890[CD*2]10,A/D轉換結果數據為二進制補碼格式,且包含通道數據,因此讀取結果后應根據需要對數據進行適當處理,包括屏蔽通道選擇數據和進行碼制轉換等,以便換算成系統所需要的數字量。為便于處理,將-10~+10 V電壓對應的碼值轉換為0~4 096。文中處理方法為:將轉換結果高四位通道數據屏蔽后,若A/D輸入為正電壓,則獲取低12位結果與0x0800相加得到處理后的數據;若A/D輸入為負電壓,則將補碼轉換成原碼后與0xF800作差獲取處理結果。

經多次測試,得到A/D轉換子程序運行時間(即┮淮為狝/D轉換總耗時)與波特率對應關系如表1所示。

從表1中可以看出,為提高轉換效率,應在可承受范圍內選擇盡可能高的波特率,但不應超過AD7890[CD*2]10的上限值10 Mb/s。對文中SPI接口的實際應用表明,A/D轉換性能非常穩定,效率較高,轉換精度高,誤差僅為±1碼,約4.88 mV。

5 結 語

用DSP的串行外設接口SPI與串行多通道A/D轉換器AD7890組成數字伺服系統A/D轉換功能實現模塊,能完成8個通道模擬量到數字量的轉換,效率較高,接口簡單,性能穩定。通過選擇較高的波特率可以縮短數據傳輸時間,提高A/D轉換效率。當DSP提供的外部時鐘SCLK為AD7890所能承受的最高值10 MHz時,單個通道徹底完成一次A/D轉換僅需12.4 μs。本文所做的接口設計為多軸數字控制系統的A/D轉換模塊提供了一種實用的選擇與參考。

參 考 文 獻

[1]Analog Devices Inc..LC2MOS 8[CD*2]Channel,12[CD*2]Bit Serial Data Acquisition System AD7890 Data Sheet[EB/OL].﹉ttp://獁ww.analog.com/static/imported[CD*2]files/data_sheets/AD7890.pdf.

[2]朱德榮,常云朋.串行D/A轉換器TLV5638與DSP的SPI接口設計[J].機床電器,2008,35(6):11[CD*2]13.

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[7]蘇奎峰,呂強,常天慶,等.TMS320X281X原理及C程序開發[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[8]黃正謹,徐堅,章小麗,等.CPLD系統設計技術入門與應用[M].北京:電子工業出版社,2002.

[9]Altera Corporation.Max7000 Programmable Logic Device Family Data Sheet[EB/OL].http://www.altera.com.cn/literature/ds/m7000.pdf.

[JP2][10]Texas Instruments Inc..TMS320x28xx,28xxx DSP Serial Peripheral Interface (SPI) Reference Guide[EB/OL].http://focus.ti.com/lit/ug/spru059e/spru059e.pdf.[JP]

作者簡介 黃 浦 男,1981年出生,湖北仙桃人,博士研究生。從事數字控制技術和算法研究工作。