TMS320F28335與串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS7863的接口設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)DSP芯片與串行A／D芯片的多信號(hào)通信，設(shè)計(jì)了TMS320F28335的多通道緩沖串口(McBSP)與串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS7863的硬件與軟件接口。該設(shè)計(jì)中A／D轉(zhuǎn)換器與McBSP串口直接相連，不需要占用并行數(shù)據(jù)總線，避免了總線沖突。通過在CCS環(huán)境下鳊程、調(diào)試，得到了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該接口設(shè)計(jì)的正確性。
關(guān)鍵詞：TMS320F28335；A／D轉(zhuǎn)換器；ADS7863；多通道緩沖串口

0 引言
    近年來，DSP技術(shù)發(fā)展迅速，越來越多的工程技術(shù)人員開始采用DSP進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。TI公司的TMS320F28335具有運(yùn)算速度快、功耗小和性價(jià)比高的特點(diǎn)，在個(gè)人通信、信號(hào)與信息處理及自動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該芯片配備了兩個(gè)多通道緩沖串口(Multi-channel Buff-ered Serial Port，McBSP)，為設(shè)計(jì)串行模數(shù)接口提供了極大的便利。它與串行A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)具有硬件設(shè)計(jì)簡單、可靠性好的特點(diǎn)。本文將闡述TMS320F28335與ADS7863的接口設(shè)計(jì)。

1 TMS320F28335 McBSP
1．1 TMS320F28335 McBSP的特點(diǎn)
    TMS320F28335是一款高性能、多功能、高性價(jià)比32位浮點(diǎn)DSP。該器件最高可在150 MHz主頻下工作，片上集成豐富的外設(shè)，其中包括兩個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)。McBSP是一種同步串行接口，除具有一般DSP串口功能之外，還可以支持T1／E1，ST-BUS，SPI等不同標(biāo)準(zhǔn)。它的主要特點(diǎn)如下：全雙工串行通信；允許獨(dú)立數(shù)據(jù)流的雙倍發(fā)送緩沖和三倍接收緩沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；獨(dú)立的接收、發(fā)送幀和時(shí)鐘信號(hào)；發(fā)送和接收通道數(shù)最多可達(dá)128路；多通道選擇模式，允許或阻止每個(gè)通道的傳輸；兩個(gè)16級(jí)，32位的FIFO代替DMA；可直接與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編碼器、模擬界面芯片(AICs)、其他串行A／D，D／A器件連接；支持時(shí)鐘信號(hào)和幀同步信號(hào)的外部生成；用來內(nèi)部生成和控制幀同步信號(hào)的可編程采樣率發(fā)生器；可編程的內(nèi)部時(shí)鐘和幀同步信號(hào)生成；可編程的幀同步和數(shù)據(jù)時(shí)鐘極性；可選的數(shù)據(jù)寬度：8 b，12 b，16 b，20 b，24 b或32 b；比特?cái)?shù)據(jù)傳輸時(shí)可選擇高位或低位在先；用于數(shù)據(jù)壓縮的μ律和A律壓縮擴(kuò)展。
1．2 TMS320F28335 McBSP的工作過程
    TMS320F28335的McBSP包括7個(gè)引腳，分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)DX，串行數(shù)據(jù)接收信號(hào)DR，發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)CLKX，接收時(shí)鐘信號(hào)CLKR，發(fā)送幀同步信號(hào)FSX、接收幀同步信號(hào)FSR和外部輸入時(shí)鐘信號(hào)CLKS。McBSP通過這7個(gè)管腳為外部設(shè)備提供了數(shù)據(jù)通道和控制通道。
    McBSP通過DX和DR實(shí)現(xiàn)DSP與外部設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)交換。其中，DX完成數(shù)據(jù)發(fā)送，DR完成數(shù)據(jù)接收。控制信息通過CLKX，CLKR，F(xiàn)SX和FSR以時(shí)鐘和幀同步的形式進(jìn)行通信。由于McBSP內(nèi)有一個(gè)可編程的采樣和幀同步時(shí)鐘發(fā)生器，所以這些時(shí)鐘和幀同步信號(hào)既可以由內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由外部輸入。
    McBSP發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如下：首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR[1，2]，如果發(fā)送移位寄存器XSR[1，2]中沒有數(shù)據(jù)，則DXR[1，2]中的值先復(fù)制到XSR[1，2]，再由XSR[1，2]將數(shù)據(jù)移到DX上發(fā)送；如果XSR[1，2]不為空，則等待將XSR[1，2]中的數(shù)據(jù)全部移出到DX腳發(fā)送后才將DXR[1，2]中的值復(fù)制到XSR[1，2]，再由DX腳將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
    McBSP接收數(shù)據(jù)的過程如下：DR腳上接收的數(shù)據(jù)首先移入接收移位寄存器RSR[1，2]，一旦收到一個(gè)字(可以是8 b，12 b，16 b，24 b或32 b)，檢查接收緩沖寄存器RBR[1，2]是否為空，如果為空，則將RSR[1，2]中的數(shù)據(jù)復(fù)制到RBR[1，2]，接著，數(shù)據(jù)被復(fù)制到數(shù)據(jù)接收寄存器DRR[1，2]，CPU通過讀取DRR[1，2]中的數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)接收。需要注意的是，DRR2，RBR2，RSR2，DXR2和XSR2寄存器只有當(dāng)接收或發(fā)送的字
長超過16 b(20 b，24 b和32 b)時(shí)，才會(huì)用上。
    0位數(shù)據(jù)延遲時(shí)，McBSP串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)序圖如圖1所示。

2 ADS7863
2．1 ADS7863芯片的特點(diǎn)
    ADS7863是一個(gè)雙路、2 MSPS、12位、3+3或2+2通道、同步采樣模／數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器。ADS7863具有如下特點(diǎn)：四路全差分或六路偽差分輸入；SNR：71 dB，THD：-81 dB；可編程的和緩沖的內(nèi)部2．5 V參考電壓；靈活的省電功能；可變的電源范圍：2．7～5．5 V；低功率操作：5 V時(shí)45 mW；工作溫度范圍：-40～+125℃；引腳與ADS7861，ADS8361兼容。
2．2 ADS7863芯片的工作原理
    ADS7863的引腳圖如圖2所示。

2．2．1 ADS7863的主要引腳定義
    ADS7863的主要引腳定義如下：CHxy+：同相模擬輸入通道xy+(x代表A或B，y代表0或1，eg：A1+)；CHxy-：反相模擬輸入通道xy～(x代表A或B，y代表0或1，eg：A1-)；M1：模式引腳1，選擇SDOx數(shù)字輸出，x代表A或B；M0：模擬引腳0，選擇模擬輸入通道；SDI：串行數(shù)據(jù)輸入，這個(gè)管腳允許使用ADS7863的增加功能，并且這些功能可以用在ADS7861的兼容模式上；CONVST：轉(zhuǎn)換開始，不管CLOCK的狀態(tài)，在CONVST的上升沿ADC從采樣模式進(jìn)入保持模式，轉(zhuǎn)換本身在CLOCK的下一個(gè)上升沿開始；RD：讀數(shù)據(jù)，SDOx輸出與SDI輸入的同步脈沖，RD只在為低時(shí)觸發(fā)；：芯片選擇，當(dāng)置低時(shí)，SDOx輸出有效，當(dāng)置高時(shí)，SDOx輸出3態(tài)。CLOCK：外部時(shí)鐘輸入；BUSY：ADC忙碌指示符，當(dāng)進(jìn)入保持模式時(shí)，BUSY變成高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY變成低電平；SDOB：轉(zhuǎn)換器B的串行數(shù)據(jù)輸出，在CLOCK的下降沿?cái)?shù)據(jù)是有效的；SDOA：轉(zhuǎn)換器A的串行數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)M1為高時(shí)，SDOA與SDOB都是有效的，數(shù)據(jù)在CLOCK的下降沿是有效的。
2．2．2 ADS7863的工作原理
    ADS7863的工作模式根據(jù)M0，M1的不同配置分為四種，如表1所示。本文主要介紹ADS7863的M0=0，M1=1模式時(shí)的工作原理。當(dāng)M0=0、M1= 1時(shí)，ADS7863工作在人為通道控制模式，數(shù)據(jù)只在SDOA腳輸出，SDOB腳置為3態(tài)。SDI選擇不同的模擬輸入通道。當(dāng)CONVST置高時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)換被觸發(fā)。ADS7863需要32個(gè)CLOCK周期從兩個(gè)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCs輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，需要1．0μs完成一個(gè)完整的CONVERSION／READ周期。如果CONV-ST信號(hào)每0．5μs被觸發(fā)一次(RD信號(hào)的需要)，那么每第二個(gè)脈沖被忽略。在CONVST的上升沿，不管CLOCK的狀態(tài)，ADC從采樣模式進(jìn)入保持模式。經(jīng)過一些延遲，BUSY信號(hào)變成高電平，并且在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持高電平。在第二個(gè)時(shí)鐘的下降沿，根據(jù)SDI寄存器的C[1：0]兩位的狀態(tài)，ADS7863選擇使用下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的模擬輸入通道。CS必須置為低電平以使能SDOA輸出。在每個(gè)轉(zhuǎn)換的每32個(gè)CLOCK周期的下降沿，數(shù)據(jù)是有效的。輸出數(shù)據(jù)由一個(gè)‘0’，緊接一個(gè)ADC指示符(CHAx為‘0’，CHBx為‘1’)，12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，和一個(gè)‘00’組成。

    相應(yīng)的時(shí)序圖如圖3所示。

3 TMS320F28335 McBSP與ADS7863接口設(shè)計(jì)
3．1 硬件接口設(shè)計(jì)
    圖4是TMS320F28335 McBSP與ADS7863無縫連接的示意圖。從圖中可以看出，McBSP與ADS7863之間的連接非常簡單，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)移，充分體現(xiàn)了同步串口連接的優(yōu)點(diǎn)。由F28335 DSP的GPIO11向ADS7863提供片選信號(hào)。McBSP的數(shù)據(jù)發(fā)送DX腳接ADS7863的SDI腳，向ADS7863發(fā)出控制信號(hào)。ADS7863的SDOA腳接McBSP的數(shù)據(jù)接收DR腳，向F28335傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。由MeBSP內(nèi)含的可編程采樣率發(fā)生器生成時(shí)鐘信號(hào)CLKG和幀同步信號(hào)FSG。由CLKG驅(qū)動(dòng)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)CLKX，CLKX驅(qū)動(dòng)接收時(shí)鐘信號(hào)CLKR和ADS7863的時(shí)鐘信號(hào)CLOCK。由FSG驅(qū)動(dòng)發(fā)送幀同步信號(hào)FSX，F(xiàn)SX驅(qū)動(dòng)接收幀同步信號(hào)FSR和ADS7863的開始轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVST。CONVST初始化一個(gè)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，并啟動(dòng)發(fā)送前一周期轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。為了簡化，只連接了ADS7863的CHA1+和CHB1+通道，可用輸出數(shù)據(jù)的第二位(ADC指示符)分辨所采樣的信號(hào)來自哪個(gè)通道。

3．2 軟件接口設(shè)計(jì)
3．2．1 McBSP口初始化
    整個(gè)初始化過程包括三部分：接收部分初始化、發(fā)送部分初始化和采樣率發(fā)生器初始化。
    (1)DSP初始化后，采樣率發(fā)生器的初始化位GRST=0；在其他情況下，也可通過向SPCR2寄存器中的GRST位置0，使采樣率發(fā)生器處于初始化狀態(tài)。在此狀態(tài)下，時(shí)鐘CLKG時(shí)鐘為CPU時(shí)鐘的1／2，幀同步信號(hào)FSG為邏輯0；設(shè)置接收初始化位RRST、發(fā)送初始化位XRST和幀同步發(fā)生器初始化位FRST為0；
    (2)對(duì)采樣率發(fā)生器SRGR[1，2]進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)其他控制寄存器進(jìn)行設(shè)置；
    (3)等待兩個(gè)CPU時(shí)鐘以確保內(nèi)部正確同步；
    (4)將采樣率發(fā)生器初始化位置1，使采樣率發(fā)生器進(jìn)行工作；
    (5)等待兩個(gè)SRG時(shí)鐘；
    (6)將接收和發(fā)送初始化位置1；
    (7)在下一個(gè)CPU時(shí)鐘的上升沿，CLKG時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)1，并以CPU時(shí)鐘／(1+CLKGDV)的頻率運(yùn)行；
    (8)在數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR[1，2]被載入數(shù)據(jù)后，將幀同步初始化位置1以發(fā)出正確的幀同步脈沖信號(hào)。
    下面是McBSP初始化程序片段：
   
   
3．2．2 McBSP串口通信主要程序
    McBSP串口通信主要程序如下：
   

4 試驗(yàn)結(jié)果
    ADS7863的輸入模擬量Vin1=1．670 V，Vin2=1．866 V時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器SDOA引腳輸出如圖5所示。圖中通道Ch2為ADS7863的外部輸入時(shí)鐘CLOCK，通道Ch1為ADS7863的模擬輸入通道CHA1+和CHB1+的32位輸出結(jié)果。可以很清楚地看出該32位二進(jìn)制碼為：00110101011010000111011 111101000，前16位為CHA1+通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，后16位為CHB1+通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在本試驗(yàn)中，通過設(shè)置McBSP的采樣率發(fā)生器時(shí)鐘分頻系數(shù)CLKGDV，使得McBSP的采樣率發(fā)生器時(shí)鐘CLKG頻率為323．2 kHz，從而使得ADS7863的外部輸入時(shí)鐘CLOCK頻率為323．2kHz。

5 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了高速度、高精度12位A／D轉(zhuǎn)換器ADS7863與32位浮點(diǎn)DSP TMS320F28335的McBSP之間的硬件接口與軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡潔，在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS下采用C語言編寫、調(diào)試完成，對(duì)其他A／D系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很大的借鑒意義。