一種基于ARM的多路同步的A/D和D/A設(shè)計(jì)

介紹一種基于ARM的高精度多路同步的數(shù)據(jù)采集與輸出控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)選用德州儀器公司生產(chǎn)的AD芯片ADS8556和DA芯片 DAC8574，分別采用SPI接口和IIC接口與ARM9芯片S3C2440連接，闡明其硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路且同步、高速高精度的數(shù)據(jù)采集與輸出控制功能。

ARM處理器是一種32位精簡(jiǎn)指令集RISC微處理器，片內(nèi)集成了豐富的硬件資源，廣泛的應(yīng)用于許多嵌入式系統(tǒng)中。S3C2440是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器，運(yùn)行主頻可達(dá)400MHz。本文闡述選用S3C2440處理器設(shè)計(jì)的一種同步、高速、高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 多路同步A/D設(shè)計(jì)

1.1 ADS8556的功能

系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的16位6路同步逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8556。輸入模擬信號(hào)電壓范圍為-12V～+12V。常規(guī)應(yīng)用下功耗為 251.7mW，最大功耗為298.5mW，信噪比可達(dá)91.5dB。ADS8556芯片內(nèi)部包含6個(gè)獨(dú)立的采樣保持模塊和對(duì)應(yīng)的6個(gè)獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)6路信號(hào)的同時(shí)同步的模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADS8556工作模式分為硬件模式和軟件模式，本設(shè)計(jì)采用硬件模式。在硬件模式下ADS8556的功能設(shè)置 (如每對(duì)通道的轉(zhuǎn)換使能、參考電壓選擇等)都是通過(guò)對(duì)相關(guān)引腳設(shè)置高低電平實(shí)現(xiàn)的。ADS8556支持并行和串行接口方式，本設(shè)計(jì)采用串行SPI接口與 S3C2440連接。采用串行接口的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約S3C2440的引腳資源，S3C2440絕大多數(shù)引腳是功能復(fù)用的，若采用并行接口會(huì)占用其16個(gè)I/O 引腳資源。

ADS8556具有3個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出端口SDO_A、SDO_B、SDO_C，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)端口使能可選擇這3個(gè)串行端口中的1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)工作。當(dāng)3個(gè)端口都選用工作時(shí)，每個(gè)串行端口上輸出對(duì)應(yīng)2路每路16位共32位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出時(shí)間需要32個(gè)時(shí)鐘周期，每路最大采樣率可達(dá)450kS/s。當(dāng)選擇2個(gè)串行端口時(shí)，每個(gè)端口輸出3路共48位轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出時(shí)間需要48個(gè)時(shí)鐘周期，每路最大采樣率可達(dá)375kS/s。由于 S3C2440只有2個(gè)SPI串行接口，所以至多選擇ADS8556的2個(gè)串行輸出端口與其連接。

1.2 ADS8556與S3C2440接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用ADS8556的1個(gè)SPI 串行輸出端口SDO_A與S3C2440的1個(gè)SPI接口SPI0連接，SDO_A端口輸出全部6路共96位轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出時(shí)間需要96個(gè)時(shí)鐘周期，每路最大采樣率可達(dá)250kS/s。SPI串口以主從方式工作，S3C2440作為主機(jī)，ADS8556作為從機(jī)，需要4根或3根線連接，3根用于單向傳輸，4根連接線分別是MOSI(主機(jī)輸出/從機(jī)輸入)，MISO(主機(jī)輸入/從機(jī)輸出)，SCLK(時(shí)鐘信號(hào))，CS(片選使能)，連接方式如圖1所示。其中SPI0接口只用了3根連接線SPIMISO0、SPICLK0和NSS0，未使用SPIMOSI0，這是由于本設(shè)計(jì)選擇ADS8556工作于硬件模式，S3C2440沒(méi)有給ADS8556輸入數(shù)據(jù)，其功能的設(shè)置(如每對(duì)通道的轉(zhuǎn)換使能、參考電壓選擇等)都是通過(guò)對(duì)相關(guān)使能引腳設(shè)置高低電平實(shí)現(xiàn)的。若在軟件模式下，這些功能的選擇是由S3C2440通過(guò)SPIMOSI對(duì)ADS8556內(nèi)部相應(yīng)寄存器進(jìn)行賦值實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)其相關(guān)使能引腳均接地。

圖1 ADS8556與S3C2440接口連接示意圖

1.3 ADS8556的接口程序設(shè)計(jì)

S3C2440作為主機(jī)，ADS8556作為從機(jī)，程序中要對(duì)S3C2440的SPI串行端口進(jìn)行初始化設(shè)置，表1所示為相關(guān)引腳配置。

表1 ADS8556與S3C2440的接口引腳配置

圖2所示為ADS8556的采樣程序流程圖。S3C2440的SPI接口工作于主模式，數(shù)據(jù)傳輸采用中斷模式。本設(shè)計(jì)只使用了ADS8556的6路轉(zhuǎn)換通道中的4個(gè)通道。

圖2 ADS8556工作程序流程圖

2 多路同步D/A設(shè)計(jì)

2.1 DAC8574的功能

DAC8574是帶有IIC接口的16位4路同步數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。DAC8574帶有一個(gè)IIC串行接口，包括SCL串行時(shí)鐘輸入和SDA串行數(shù)據(jù)輸入兩個(gè)引腳。輸出四路模擬電壓為VOUTA、VOUTB、VOUTC、VOUTD，電壓范圍為+2.7～+5.5V。由外部提供參考電壓VREFH、 VREFL。A0、A1為IIC地址選擇，A2、A3為擴(kuò)展地址選擇，A1、A0、A3、A2共可確定16個(gè)地址，在IIC總線上最多可擴(kuò)展16個(gè) DAC8574。本設(shè)計(jì)在IIC總線上只使用一個(gè)DAC8574，則設(shè)置地址A1A0A3A2=0000。LDAC為同步輸出電壓更新。

DAC8574有三種工作模式:標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、高速模式。標(biāo)準(zhǔn)模式時(shí)傳輸速率為100kbit/s，串行時(shí)鐘頻率fscl=100kHz，更新率為5.3kS/s;快速模式時(shí)傳輸速率為400kbit/s，fscl=400kHz，更新率為22.22kS/s;高速模式時(shí)傳輸速率為3.4Mbit /s，fscl=3.4MHz，更新率為188.88kS/s。標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式傳輸線協(xié)議基本相同，高速模式不同于標(biāo)準(zhǔn)和快速模式。DAC8574與 S3C2440通過(guò)IIC總線連接時(shí)，DAC8574作為從機(jī)，S3C2440作為主機(jī)。本設(shè)計(jì)將DAC8574設(shè)置為高速模式。

2.2 DAC8574與S3C2440接口電路設(shè)計(jì)

DAC8574通過(guò)IIC接口SDA、SCL引腳與S3C2440連接，其工作模式選擇、通道使能、LDAC功能是由S3C2440通過(guò)SDA輸入設(shè)定的。如圖3所示，電源電壓+5V，參考電壓+5V，IOVDD為+3.3V、LDAC接地。

圖3 DAC8574接口電路

2.3 DAC8574的接口程序設(shè)計(jì)

DAC8574作為從機(jī)，S3C2440作為主機(jī)，根據(jù)高速模式傳輸協(xié)議編寫DAC8574的接口程序。圖4所示為設(shè)計(jì)的DAC8574接口程序的流程圖。主機(jī)先產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)，隨后產(chǎn)生高速主機(jī)編碼的串行數(shù)據(jù)00001XXX。從機(jī)設(shè)備不需要確認(rèn)高速主機(jī)編碼，但必須能夠識(shí)別并改變自身內(nèi)部設(shè)置以支持3.4Mbit/s的高速傳輸。主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)重復(fù)開(kāi)始狀態(tài)，接著發(fā)送一個(gè)有效的從機(jī)地址字節(jié)，本設(shè)計(jì)的從機(jī)地址字節(jié)為10011000，包括7位 DAC8574的地址1001100和1位讀寫控制位0(主機(jī)寫入從機(jī))。地址匹配的從機(jī)識(shí)別地址后產(chǎn)生確認(rèn)信號(hào)。本設(shè)計(jì)將控制字節(jié)設(shè)置為 00010000，主機(jī)發(fā)送控制字節(jié)設(shè)置從機(jī)運(yùn)行模式后，從機(jī)產(chǎn)生確認(rèn)信號(hào)。隨后，主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)最高有效位MSB，從機(jī)產(chǎn)生確認(rèn)信號(hào)，主機(jī)再發(fā)送數(shù)據(jù)最低有效位LSB，從機(jī)產(chǎn)生確認(rèn)信號(hào)并開(kāi)始數(shù)據(jù)更新，這樣DAC8574就完成了一次數(shù)據(jù)接收與數(shù)模轉(zhuǎn)換。之后主機(jī)可以繼續(xù)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，最后主機(jī)產(chǎn)生停止?fàn)顟B(tài)結(jié)束當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸。[!--empirenews.page--]

圖4 DAC8574 工作程序流程圖

本文論述了一種基于ARM的實(shí)時(shí)、高速、同步、高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集與輸出控制的設(shè)計(jì)方法?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)程序的修改而改變其通道數(shù)、轉(zhuǎn)換速率、傳輸速率，因而具有一定的靈活性。而基于ARM處理器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還具有成本低、功耗低、實(shí)時(shí)性能好、智能程度高、可靠性高、體積小、易擴(kuò)展、功能強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、信息技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。