MAX121與TMS320VC5402在 高速數(shù)據(jù)采集中的接口設計

哈爾濱理工大學 王武軍 李鑫 宋立新

概述

TMS320VC5402是TI公司的第五代DSP專門基于數(shù)字信號處理的低功耗的DSP芯片，工作頻率高達10ns，在數(shù)字信號處理中應用廣泛。該芯片提供了2個MCBSP，既可以工作在SPI模式又可以工作在通用串口模式，在系統(tǒng)設計中應用靈活。MAX121是MAXIM公司推出的帶有專用DSP接口的14位具有片上T/H、低漂移、低噪聲、低功耗快速轉(zhuǎn)換的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，功耗只有210mW，轉(zhuǎn)換時間為2.9 s，78dB的SIND，可以和TMS320系列DSP、ADSP系列和Motorola系列單片機進行連接，設計簡單。

MAX121芯片介紹

MAX121功能框圖

圖1 功能方框圖

MAX121芯片的功能方框圖如圖1所示。它有16腳和20腳模式，16腳有DIP和SO封裝，20腳有SSOP封裝。

MAX121工作參數(shù)

VDD對DGND 0.3～+6V；VSS對DGND 　 +0.3～ 7V；

AIN對AGND 15V；　　AGND對DGND 0.3V；

數(shù)字輸入對DGND（CS、CONVST、MODE、CLKIN、INVCLK、INVFRM）-0.3(Vdd+0.3V)；

數(shù)字輸出對DGND(SFRM、FSTRT、SCLK、SDATA)　+0.3(Vdd+0.3V)；
強度超出上述極限參數(shù)可能導致器件的性損壞。這些參數(shù)只是極限參數(shù)，并不意味著在極限參數(shù)條件下，或者任何其它超出技術(shù)規(guī)范規(guī)定的工作條件下器件能有效工作。

MAX121的工作原理 如圖2，當轉(zhuǎn)換開始時，緩沖器與AIN端斷開，對輸入信號采樣。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，緩沖器輸入端又連接到AIN端，而且保持電容跟蹤輸入電壓。無論何時，只要轉(zhuǎn)換沒有進行，T/H就處于跟蹤模式。在轉(zhuǎn)換開始以后，保持模式啟動時間接近10ns(窗口延遲)。從轉(zhuǎn)換到下轉(zhuǎn)換延遲變化的典型時間為30ps(窗口抖動)。

電路時鐘頻率

MAX121工作時需要一個與TTL、CMOS電平兼容的時鐘，時鐘頻率的范圍從0.1～5.5MHz。為滿足2個時鐘周期400ns采集時間的要求，時鐘頻率限制在5MHz。由于內(nèi)部T/H電壓下降速率的限制，所有模式的時鐘頻率不應低于0.1MHz。

輸出數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)換結(jié)果以16位串行數(shù)據(jù)流輸出，前14位為數(shù)據(jù)位(首先為MSB)，后2位為零。輸出數(shù)據(jù)為二進制補碼形式。在CLKIN的上升沿，數(shù)據(jù)在SDATA端同步輸出。輸出數(shù)據(jù)可用FSTRT或者SFRM輸出來分幀。要求每次轉(zhuǎn)換少為18個時鐘周期，以獲得有效輸出。

高速接口設計及編程

MAX121共有三種工作方式：

1 ）由/CONVST控制轉(zhuǎn)換；

2 ）/CS控制轉(zhuǎn)換；

3 ）連續(xù)模式。

三種模式中種是用于和DSP以及其他微處理器連接，第二種用于多個器件組合應用，第三種MAX121工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，應用于數(shù)據(jù)的連續(xù)采樣。

在方式1中，有兩種時鐘提供方式，其一由CLKR提供時鐘，原理框圖如圖4所示。

但這種連接方式能提供的時鐘為3.2MHz，另外可由外部電路提供時鐘，可達系統(tǒng)的時鐘5.5MHz，實現(xiàn)高速連接，根據(jù)設計要求，在實際使用時選擇第二種連接方式。具體電路設計如 5所示。

CLKIN（14）外接一有源振蕩器，提供5MHz的時鐘；

MODE（16）接+5v電源，/CS接地：選擇工作模式；

/CONVST（13）接TMS320VC5402的XF引腳，由DSP的通過XF控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；

SCLK（12），F(xiàn)STRT（10），SDATA（11）分別和DSP的BLCKR0，BFSR0，
BDR0連接，傳送時鐘，幀同步信號，數(shù)據(jù)。

CLKIN是MAX121的輸入時鐘，而SCLK使數(shù)據(jù)移位進入處MAX121，CLKIN由外部時鐘振蕩器驅(qū)動（5MHz）。TMS320VC5402的XF引腳（通用I/O口）驅(qū)動MAX121輸入端為低，啟動轉(zhuǎn)換。TMS320VC5402的BCLKR0(接收時鐘)端配置為輸入，并由MAX121的SCLK輸出端驅(qū)動。MAX121的SDATA輸出端數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿改變狀態(tài)，而在時鐘下降沿，數(shù)據(jù)被鎖存到TMS320VC5402的DR輸入端。這樣可提供1/2個時鐘周期，以滿DR輸入端所需要的數(shù)據(jù)建立和保持時間。MAX121 SCLK和SDATA之間的時滯在+25時為65ns，所以1/2個時鐘周期足以滿足要求的建立和保持時間，工作時序如圖6所示。

MAX121的FSTRT輸出驅(qū)動TMS320VC5402的BFSR0輸入，以對數(shù)據(jù)分幀。FSTRT輸出的下降沿指示MSB已準備好,可被鎖存。在下一個時鐘下降沿，MSB被鎖存在TMS320VC5402。使用這種接口，配置TMS320VC5402可接收16位，于是14位數(shù)據(jù)被時鐘同步移入DSP，同時跟隨兩位尾隨的0。

主要程序如下：

WRITEMCBSP .macro VALUE SUBADDRESS;設置MCBSP的宏函數(shù)
STM SUBADDRESS SPSA
STM VALUE SPSD
.endm
……
TINT0 B START
BRINT0BRECEIVE
……
.text
……
SSBX INTM
STM #K_PRD, PRD;初始化內(nèi)部定時器
STM #K_TCR, TCR
WRITEMCBSP #K_SPCR1,SPCR1;設置MCBSP控制寄存器
WRITEMCBSP #k_SPCR2, SPCR2
WRITEMCBSP #K_PCR, PCR
WRITEMCBSP #K_SPCR1, SPCR1
WRITEMCBSP #K_RCR1, RCR1
WRITEMCBSP #K_RCR2, RCR2
RSBX INTM
ANDM #0FFEF，TCR ;開啟定時器,當產(chǎn)生中斷時，響應START程序
WRITEMCBSP #K1,SPCR1 ;啟動MCBSP口
WRITEMCBSP #K2H, SPCR2
……
START:
RSBX XF；啟動MAX121，開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；當產(chǎn)生BRINT0時響應RECEIVE
……
RECEIVE:
LDM RDRR, A
ST A ，*SAMPLE
SSBX XF
RETE
……
RETE

結(jié)論

該設計部論的硬件部分和軟件部分都已經(jīng)得到實驗驗證，并將其應用到研發(fā)之中，與同類A/D比較，與DSP等有簡易的接口，應用方便，而且有著較高的分辨率，實用性很強。