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1 引言 隨著數字信號處理技術的發展，人們對嵌入式數據采集系統的采樣精度和傳輸速度要求越來越高，本文介紹的嵌入式數據采集系統設計方案采用了ADI公司的高精度18位SAR型ADC AD7674與TI公司32位定點主頻高達150 MHz的DSPTMS320F2812構成一個數據采集系統，并利用McBSP的時鐘停止模式實現與AD7674之間的高速數據傳輸。 2 AD7674簡介 AD7674是一款高精度18位逐次逼近(SAR)型ADC，它具有采樣速率高、精度高、功耗低、無管道延遲的特點，其采樣速率最高可以達到800 kS／s(每秒千次采樣)，積分非線性誤差(INL)最大為±2.5 LSB，在整個工作溫度范圍內，保證無丟碼。該器件是全差分輸入，5 V單電源供電，可接5 V或3.3 V數字電源。AD7674還具有許多其它特點，包括一個內部變換時鐘、一個內部基準緩沖器、誤差修正電路以及串行(SPI)與并口(18、16或8位總線)接口。 AD7674能提供3種不同轉換速率工作方式以便對不同的具體應用優化性能，這三種工作模式如下： WARP：允許采樣率高達800 kS／s。然而在這種模式下只有轉化之間的時間不超過1ms時，才能保證其轉化的精度，如果連續兩次轉換之間的時間大于1 m8，第一次轉換的結果就會被忽略，這種模式適合于要求快速采樣率的應用。 NORMAL：這種模式的采樣率為666 kS／s，在這種模式下對采樣轉化之間的時間沒有限制，這樣既可保證高的轉換精度又可確保快速的采樣速率。 IMPULSE：這是一種低功耗模式，其采樣率為570 kS／s，例如：當器件工作在1 kS／s時，僅消耗功率為136 μW，該器件適合于電池供電的應用。 3 多通道緩沖串行接口(McBSP) TMS320F2812是一款高性能、多功能、高性價比32位定點DSP。該器件兼容于TMS320F2407指令系統，最高可在150 MHz主頻下工作，片上集成有豐富的外設，其中包括一個多通道緩沖串行接口(McBSP)。 TMS320F2812的McBSP在時鐘停止模式下工作時與串行外圍接口(SPI)相兼容，這便于與SPI器件連接。 當McBSP配置為時鐘停止模式時，發送器和接收器內部同步，這樣McBSP可以作為一個SPI主設備或從設備。在此模式下，McBSP的發送時鐘信號CLKX相當于SPI總線的SCLK信號，輸出信號DX作為SPI主設備的MOSI信號，接收輸入信號DR作為SPI主設備的MISO信號。將McBSP配置為SPI主設備時，需要配置相應的寄存器，在時鐘停止模式中，由于采用內部同步模式，因此不使用時鐘信號CLKR和接收幀同步信號FSK。為使DSP按照一定的方式通信，需要對McBSP的各個控制寄存器進行相應配置，其中，SPCR1／SPCR2用于設置工作模式、接收符號擴展和對齊模式、對收發器和采樣速率生成器進行復位，以及判斷收發器是否準備好等。RCR1／RCR2用于控制接收數據的字長、數據延遲。XCR1／XCR2用于控制發送數據的字長、數據延遲。SRGR1／SRGR2用于設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。PCR用于控制相應引腳的工作模式。 4 McBSP接口電路設計 AD7674與TMS320F2812的接口電路如圖1所示。在本系統設計中，為了保證較高的轉換精度和快速的采樣速率，需采取以下措施：(1)AD7674設置成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，配置為從設備；(4)AD7674的CS、CNVST、BUSY引腳分別與TMS320F2812的GPIOD0、GPIOD1、GPIOD2引腳相連，通過TMS320F2812的GPIO端口控制AD7674的片選、轉換及工作狀態；(5)AD7674符合SPI的數據通信協議，將其SCLK引腳與TMS320F2812的MCLKXA引腳相連，這樣TMS320F2812可向AD7674提供接收數據的時鐘；(6)AD7674的SDOUT引腳與TMS320F2812的MDRA引腳相連。接收數據時，使SDOUT輸出的采樣結果在時鐘脈沖的控制下通過MDRA逐位移至McBSP的接收移位寄存器。 5 軟件設計 AD7674與TMS320F2812McBSP進行高速串行通信時，首先通過TMS320F2812 McBSP的相關寄存器設置，配置McBSP為時鐘停止模式，該模式兼容于SPI協議，再配置McBSP的字長、對齊模式、數據延遲、采樣速率生成器的分頻系數，然后通過TMS320F2812的GPIOD0端口片選AD7674，并啟動ADC的轉換。當轉換控制輸入CNVST的下降沿到來時，片內采樣保持器由采樣模式轉化為保持模式，保持模擬輸入信號，并啟動轉換過程，轉換啟動后，BUSY信號一直保持高電平，直到轉換完成，BUSY信號才變為低電平。最后在TMS320F2812輸出脈沖的控制下，將18位的采集結果送至指定的存儲單元。AD7674從串口模式轉換時序圖如圖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： AD7674的輸入模擬量Vin=3.07 V時，串口通信記錄如圖4所示。圖中通道Chl為MeBSP的輸出時鐘MCLKXA(20位時鐘脈沖)，通道Ch2為AD7674的SDOUT引腳輸出的18位結果。 為了滿足AD7674的A／D轉換的所有時序要求，提供給A7674 SPI接口的時鐘不大于17 Mbit／s，因而在試驗中，通過設置McBSP采樣速率生成器時鐘的分頻系數，從而使得McBSP的輸出時鐘頻率為12.52 MHz，以達到滿足A／D轉換的時序要求。 7 結束語 本文詳細介紹了高速率、高精度18位ADCAD7674與32位定點DSP TMS320F2812的McBSP之間的高速串口通信的接口電路及其軟件設計。該嵌入式數據采集系統設計簡潔，在DSP集成開發環境CCS下采用C語言編寫、調試完成。由于采用McBSP的時鐘停止模式兼容于SPI傳輸協議，且McBSP的字長和采樣速率生成器時鐘配置靈活，傳輸速度快，因而帶有SPI接口的高速率、高精度ADC可與DSP McBSP接口實現串口通信，以實現嵌入式數據采集系統高速數據傳輸，同時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，從而大大增強了系統開發的靈活性和拓展性。 |
