基于DSP和CPLD技術(shù)的多路ADC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言
--- 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容日益復(fù)雜，而ADC是實(shí)現(xiàn)從模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的一個(gè)必然過(guò)程。針對(duì)這種情況，利用數(shù)字信號(hào)處理器和可編程邏輯器件提出了多路ADC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)多路模擬輸入信號(hào)的采樣傳輸以及處理，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，可編程邏輯器件使得系統(tǒng)的通用性和可移植性得到良好的擴(kuò)展。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)所采用的ADC器件是MAXIM公司的生產(chǎn)的低功耗16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)MAX1162。MAX1162采用逐次逼近型ADC結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)關(guān)斷、1.1μs快速喚醒和兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE的高速接口，采用+5V單模擬電源，并且具有獨(dú)立的數(shù)字電源引腳，允許芯片直接和+2.7～+5.25V的數(shù)字邏輯接口。REF引腳接外部參考電壓，用于設(shè)定模擬輸入電壓范圍，與模擬地之間連接一個(gè)4.7μF的電解電容；AVDD引腳是+5V電源供應(yīng)輸入端，與模擬地之間接一個(gè)0.1μF的電容；AGND是模擬地；CS是片選輸入，低有效。當(dāng)為高時(shí)，系統(tǒng)處于斷電模式，由高變低時(shí)，激活系統(tǒng)到正常運(yùn)行模式，同時(shí)初始化一次轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選擇作為AD的使能信號(hào)；SCLK是串行時(shí)鐘輸入，驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)程；DOUT是串行數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)狀態(tài)在SCLK的下降沿改變；DGND是數(shù)字地；DVDD是數(shù)字電壓供應(yīng)，與數(shù)字地之間接一個(gè)0.1μF的電容；AIN是模擬信號(hào)輸入端。

    該ADC系統(tǒng)的中央控制單元采用TI(德州儀器)公司的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC33-150，TMS320VC33的地址總線(xiàn)為24位，程序?qū)ぶ贩秶蛇_(dá)16M，數(shù)據(jù)總線(xiàn)為32位，內(nèi)部具有34K×32bit的SRAM，可根據(jù)需要映射在程序或數(shù)據(jù)空間，擁有一路串行口，可以構(gòu)成傳輸8、16、24、32位的數(shù)據(jù)，其傳輸模式可以設(shè)置為突發(fā)模式或者是連續(xù)模式。兩個(gè)32位的通用定時(shí)器，能夠用來(lái)按照規(guī)定的時(shí)間間隔與芯片內(nèi)部通信或者是和外部通信。

    本系統(tǒng)考慮到主要應(yīng)用在ADC中，所以就直接采用TMS320VC33的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)，沒(méi)有再附加額外的電路，使得ADC的采樣速度和轉(zhuǎn)換精度得到良好的保證。同時(shí)還利用了INT2和XF0引腳，作為DSP接收數(shù)據(jù)的中斷信號(hào)和ADC的使能信號(hào)。INT2是外部中斷引腳，由外部的數(shù)據(jù)輸入觸發(fā)中斷；XF0即外部標(biāo)志輸出引腳，受軟件控制，可以用來(lái)向外部器件發(fā)送信號(hào)，該引腳的狀態(tài)由I/O標(biāo)志寄存器決定，IOF=0X22，即置XF0為通用目的輸出引腳，同時(shí)該引腳輸出0；若IOF=0X26，則置XF0為通用目的輸出引腳，同時(shí)該引腳輸出為1。本系統(tǒng)利用軟件指令對(duì)XF0進(jìn)行置高置低，控制ADC的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和停止。

    EMP7512AE基于EEPROM技術(shù)，采用多電壓I/O接口技術(shù)，系統(tǒng)內(nèi)核供應(yīng)電壓為3.3V，而I/0引腳與2.5V、3.3V、5.0V邏輯電平相互兼容。EPM7512AE有10 000個(gè)可用門(mén)、512個(gè)宏單元、32個(gè)邏輯陣列塊和212個(gè)用戶(hù)可用I/0引腳。CPLD在系統(tǒng)中的主要功能是：給ADC轉(zhuǎn)換提供時(shí)鐘信號(hào)，控制ADC轉(zhuǎn)換的使能和復(fù)位，由于采用的ADC芯片是串行輸出的，CPLD還實(shí)現(xiàn)對(duì)串行數(shù)據(jù)的輸入轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)的輸出，然后直接和TMS320VC33的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連接。同時(shí)CPLD產(chǎn)生脈沖信號(hào)，在ADC轉(zhuǎn)換完成后，數(shù)據(jù)暫存在CPLD中，該脈沖向CPU申請(qǐng)中斷，提示有數(shù)據(jù)需要接收。另外，CPLD的一個(gè)關(guān)鍵作用就是，實(shí)現(xiàn)路數(shù)的動(dòng)態(tài)選擇，目前設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)最多路數(shù)為8路。CPLD和DSP及AD芯片的具體硬件連接圖如圖2所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
     在軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)CPLD程序?qū)DC轉(zhuǎn)換進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，選通模擬信號(hào)輸入端，對(duì)ADC進(jìn)行使能，按照?qǐng)D3所示的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖完成對(duì)MAX1162的數(shù)據(jù)采樣及傳輸。
下面給出VHDL語(yǔ)言的主要程序部分。

BEGIN
ADCS <= SYNTHESIZED_WIRE_12;
ADA <= SYNTHESIZED_WIRE_2;
GDFX_TEMP_SIGNAL_1 <= (L & L & H & H & H & L);
GDFX_TEMP_SIGNAL_0 <= (H & L & H & H & L);
U1 : lpm_bustri_0----三態(tài)總線(xiàn)緩沖器，允許采樣的數(shù)據(jù)輸出到DSP的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上
PORT MAP(enabledt => DRD,
data => ADO,
tridata => D);
U2 : lpm_counter_1----計(jì)數(shù)器，把數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度改為3位
PORT MAP(sload => SYNTHESIZED_WIRE_0,
clock => SYNTHESIZED_WIRE_1,
aload => XFA0,
data => CMD(2 downto 0),
q => SYNTHESIZED_WIRE_2);
U3 : lpm_dff_1---D觸發(fā)器，數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為8位，接收來(lái)自于DSP的數(shù)據(jù)
PORT MAP(clock => CMDCK,
data => D(7 downto 0),
q => CMD);
U4 : lpm_compare_1---比較器，比較CMD(5..3)和CMD(2..0)的值，即輪詢(xún)采樣通道
PORT MAP(dataa => CMD(5 downto 3),
datab => SYNTHESIZED_WIRE_2,
aeb => SYNTHESIZED_WIRE_0);
SYNTHESIZED_WIRE_1 <= NOT(AQ(4));
NRW<= NOT RW;
CMDCK<= NOT( NOT PAGE3 AND(NOT RW)AND A6 AND A5 AND A4 AND (NOT A3));
----通道控制地址編碼
DRD <= NOT PAGE3 AND RW AND A6 AND A5 AND A4 AND A3;----采樣地址編碼
CLKA <= NOT(CLK);
U5 : lpm_counter_2---產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖
PORT MAP(sload => SYNTHESIZED_WIRE_3,
clock => HFP(5),
data => GDFX_TEMP_SIGNAL_0,
eq => SQ,
q => AQ);
U5 : lpm_dff_5---緩沖器
PORT MAP(clock => SYNTHESIZED_WIRE_12,
data => SYNTHESIZED_WIRE_5,
q => ADO);
SYNTHESIZED_WIRE_12 <= SQ(12) OR 0 OR XFA0;
SYNTHESIZED_WIRE_3 <= XFA0 OR SQ(14);
ADEN <= NOT(XFA0);
SYNTHESIZED_WIRE_10 <= HFP(5) AND HFP(4) AND HFP(0) AND SYNTHESIZED_WIRE_6 AND SYNTHESIZED_WIRE_7 AND SYNTHESIZED_WIRE_8;
SYNTHESIZED_WIRE_7 <= NOT(HFP(2));
SYNTHESIZED_WIRE_6 <= NOT(HFP(3));
INTA2 <= XFA0 OR SYNTHESIZED_WIRE_9;
U6 : lpm_shiftreg_1----串行數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)輸出
PORT MAP(shiftin => ADOUT,
clock => HFP(5),
q => SYNTHESIZED_WIRE_5);
U7 : lpm_counter_3---產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)
PORT MAP(sload => SYNTHESIZED_WIRE_10,
clock => H1CK,
data => GDFX_TEMP_SIGNAL_1,
q => HFP);
SYNTHESIZED_WIRE_8 <= NOT(HFP(1));
ADSCK <= NOT(HFP(5));
SYNTHESIZED_WIRE_9 <= NOT(SYNTHESIZED_WIRE_12);
H <= '1';
L <= '0';
END;

    把該VHDL程序?qū)懭氲紼PM7512AE芯片中的，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣編程就簡(jiǎn)單了許多。在.CMD文件的MEMORY段中加入ADPORT ：org=0x00c00070，len=9。然后通過(guò)自定義數(shù)據(jù)段把數(shù)組adport[8]映射到段ADPORT中。下面給出用C編寫(xiě)的采樣主要程序。
Main()
{
……
IOF = 0x26;/*置MAX1162數(shù)據(jù)輸出端為高阻態(tài)*/
adport[0] = 0x28；
/*采樣通道選擇：0通道～5通道，總共6路；若設(shè)adport[0]=0x38，則通道為：0通道～7通道，總共8路。同理可進(jìn)行其他設(shè)置*/
IE = 4;/*中斷使能*/
IOF = 0x22;/*啟動(dòng)ADC*/
/* adport[0]對(duì)應(yīng)地址為0x00c00070，配置寄存器有6位，0、1、2位對(duì)應(yīng)起始通道，3、4、5位對(duì)應(yīng)結(jié)束通道。adport[8]對(duì)應(yīng)地址為0x00c00078，是控制寄存器*/
……
}

    在中斷服務(wù)子程序接收采樣的數(shù)據(jù)，程序如下。
C_INT02()
{
ad[adi++] = adport[8];/*把采集的數(shù)據(jù)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)存入數(shù)組ad中*/
If(adi>0x7ff) /*存入的數(shù)據(jù)大小為2K×16bit，根據(jù)內(nèi)存大小動(dòng)態(tài)改變*/
adi &= ox7ff;
}

結(jié)論
    經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，本ADC系統(tǒng)在低成本的情況下的采樣精度達(dá)到了13位，這在16位的ADC芯片中達(dá)到很好的水平，并被應(yīng)用到高精度的工業(yè)控制中。利用TMS320VC33和EPM7512AE，靈活方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1162的控制和動(dòng)態(tài)多通道采樣，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)使得DSP的編程處理變得非常高效簡(jiǎn)潔。若應(yīng)用在要求更加嚴(yán)格的場(chǎng)面，本系統(tǒng)有待做進(jìn)一步的改進(jìn)，把ADC芯片更換為并行輸出，同時(shí)把CPLD芯片更換為CycloneII FPGA，DSP芯片用TMS320C6713，同時(shí)加入噪聲抑制設(shè)計(jì)，這樣整個(gè)系統(tǒng)性能將會(huì)顯著提高。在一定的條件下，和ADC模塊相類(lèi)似，本系統(tǒng)可以經(jīng)過(guò)擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)更多路的信號(hào)采集。

參考文獻(xiàn)
1 徐惠民,安德寧編著.數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)與VHDL描述.機(jī)械工業(yè)出版社, 2004
2 張雄偉等著.DSP集成開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)例.電子工業(yè)出版社, 2002
3 MAX1162,16-Bit,+5V,200ksps ADC with 10μA Shutdown.MAXIM
4 TMS320VC33 DIGITAL SIGNAL PROCESSOR, Texas Instruments Incorporated