1 引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣和傳輸速度要求越來(lái)越高，本文介紹的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用了ADI公司的高18位SAR型ADC AD7674與TI公司32位定點(diǎn)主頻高達(dá)150 MHz的DSPTMS320F2812構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并利用McBSP的時(shí)鐘停止模式實(shí)現(xiàn)與AD7674之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2 AD7674簡(jiǎn)介

AD7674是一款高18位逐次逼近(SAR)型ADC，它具有采樣速率高、高、功耗低、無(wú)管道延遲的特點(diǎn)，其采樣速率可以達(dá)到800 kS／s(每秒千次采樣)，積分非線(xiàn)性誤差(INL)為±2.5 LSB，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，保證無(wú)丟碼。該器件是全差分輸入，5 V單電源供電，可接5 V或3.3 V數(shù)字電源。AD7674還具有許多其它特點(diǎn)，包括一個(gè)內(nèi)部變換時(shí)鐘、一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器、誤差修正電路以及串行(SPI)與并口(18、16或8位總線(xiàn))接口。

AD7674能提供3種不同轉(zhuǎn)換速率工作方式以便對(duì)不同的具體應(yīng)用優(yōu)化性能，這三種工作模式如下：

WARP：允許采樣率高達(dá)800 kS／s。然而在這種模式下只有轉(zhuǎn)化之間的時(shí)間不超過(guò)1ms時(shí)，才能保證其轉(zhuǎn)化的，如果連續(xù)兩次轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間大于1 m8，次轉(zhuǎn)換的結(jié)果就會(huì)被忽略，這種模式適合于要求快速采樣率的應(yīng)用。

NORMAL：這種模式的采樣率為666 kS／s，在這種模式下對(duì)采樣轉(zhuǎn)化之間的時(shí)間沒(méi)有限制，這樣既可保證高的轉(zhuǎn)換又可確?？焖俚牟蓸铀俾省?/P>

IMPULSE：這是一種低功耗模式，其采樣率為570 kS／s，例如：當(dāng)器件工作在1 kS／s時(shí)，僅消耗功率為136 μW，該器件適合于電池供電的應(yīng)用。

3 多通道緩沖串行接口(McBSP)

TMS320F2812是一款高性能、多功能、高性?xún)r(jià)比32位定點(diǎn)DSP。該器件兼容于TMS320F2407指令系統(tǒng)，可在150 MHz主頻下工作，片上集成有豐富的外設(shè)，其中包括一個(gè)多通道緩沖串行接口(McBSP)。

TMS320F2812的McBSP在時(shí)鐘停止模式下工作時(shí)與串行外圍接口(SPI)相兼容，這便于與SPI器件連接。

當(dāng)McBSP配置為時(shí)鐘停止模式時(shí)，發(fā)送器和接收器內(nèi)部同步，這樣McBSP可以作為一個(gè)SPI主設(shè)備或從設(shè)備。在此模式下，McBSP的發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)CLKX相當(dāng)于SPI總線(xiàn)的SCLK信號(hào)，輸出信號(hào)DX作為SPI主設(shè)備的MOSI信號(hào)，接收輸入信號(hào)DR作為SPI主設(shè)備的MISO信號(hào)。將McBSP配置為SPI主設(shè)備時(shí)，需要配置相應(yīng)的寄存器，在時(shí)鐘停止模式中，由于采用內(nèi)部同步模式，因此不使用時(shí)鐘信號(hào)CLKR和接收幀同步信號(hào)FSK。為使DSP按照一定的方式通信，需要對(duì)McBSP的各個(gè)控制寄存器進(jìn)行相應(yīng)配置，其中，SPCR1／SPCR2用于設(shè)置工作模式、接收符號(hào)擴(kuò)展和對(duì)齊模式、對(duì)收發(fā)器和采樣速率生成器進(jìn)行復(fù)位，以及判斷收發(fā)器是否準(zhǔn)備好等。RCR1／RCR2用于控制接收數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)延遲。XCR1／XCR2用于控制發(fā)送數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)延遲。SRGR1／SRGR2用于設(shè)置采樣速率生成器的工作模式和采樣速率生成器的分頻系數(shù)。PCR用于控制相應(yīng)引腳的工作模式。

4 McBSP接口電路設(shè)計(jì)

AD7674與TMS320F2812的接口電路如圖1所示。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保證較高的轉(zhuǎn)換和快速的采樣速率，需采取以下措施：(1)AD7674設(shè)置成NORMAL工作方式，即WARP和IMPULSE引腳接地；(2)采用串口通信方式，將MODE0和MODE1固定為高電平；(3)將EXT／INT引腳接高電平，配置為從設(shè)備；(4)AD7674的CS、CNVST、BUSY引腳分別與TMS320F2812的GPIOD0、GPIOD1、GPIOD2引腳相連，通過(guò)TMS320F2812的GPIO端口控制AD7674的片選、轉(zhuǎn)換及工作狀態(tài)；(5)AD7674符合SPI的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，將其SCLK引腳與TMS320F2812的MCLKXA引腳相連，這樣TMS320F2812可向AD7674提供接收數(shù)據(jù)的時(shí)鐘；(6)AD7674的SDOUT引腳與TMS320F2812的MDRA引腳相連。接收數(shù)據(jù)時(shí)，使SDOUT輸出的采樣結(jié)果在時(shí)鐘脈沖的控制下通過(guò)MDRA逐位移至McBSP的接收移位寄存器。

5 軟件設(shè)計(jì)

AD7674與TMS320F2812McBSP進(jìn)行高速串行通信時(shí)，首先通過(guò)TMS320F2812 McBSP的相關(guān)寄存器設(shè)置，配置McBSP為時(shí)鐘停止模式，該模式兼容于SPI協(xié)議，再配置McBSP的字長(zhǎng)、對(duì)齊模式、數(shù)據(jù)延遲、采樣速率生成器的分頻系數(shù)，然后通過(guò)TMS320F2812的GPIOD0端口片選AD7674，并啟動(dòng)ADC的轉(zhuǎn)換。當(dāng)轉(zhuǎn)換控制輸入CNVST的下降沿到來(lái)時(shí)，片內(nèi)采樣保持器由采樣模式轉(zhuǎn)化為保持模式，保持模擬輸入信號(hào)，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，BUSY信號(hào)一直保持高電平，直到轉(zhuǎn)換完成，BUSY信號(hào)才變?yōu)榈碗娖?。在TMS320F2812輸出脈沖的控制下，將18位的采集結(jié)果送至指定的存儲(chǔ)單元。AD7674從串口模式轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖2所示。McB-SP串口通信軟件流程圖如圖3所示。部分程序如下：

6 試驗(yàn)結(jié)果

AD7674的輸入模擬量Vin=3.07 V時(shí)，串口通信記錄如圖4所示。圖中通道Chl為MeBSP的輸出時(shí)鐘MCLKXA(20位時(shí)鐘脈沖)，通道Ch2為AD7674的SDOUT引腳輸出的18位結(jié)果。

為了滿(mǎn)足AD7674的A／D轉(zhuǎn)換的所有時(shí)序要求，提供給A7674 SPI接口的時(shí)鐘不大于17 Mbit／s，因而在試驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)置McBSP采樣速率生成器時(shí)鐘的分頻系數(shù)，從而使得McBSP的輸出時(shí)鐘頻率為12.52 MHz，以達(dá)到滿(mǎn)足A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)序要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了高速率、高18位ADCAD7674與32位定點(diǎn)DSP TMS320F2812的McBSP之間的高速串口通信的接口電路及其軟件設(shè)計(jì)。該嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，在DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)、調(diào)試完成。由于采用McBSP的時(shí)鐘停止模式兼容于SPI傳輸協(xié)議，且McBSP的字長(zhǎng)和采樣速率生成器時(shí)鐘配置靈活，傳輸速度快，因而帶有SPI接口的高速率、高ADC可與DSP McBSP接口實(shí)現(xiàn)串口通信，以實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)AD7674與AD7678、AD7679等18位SAR ADC以及AD7621、AD7623等16位高速SAR ADC引腳相兼容，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的靈活性和拓展性。