多通道模／數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7890與DSP的接口設(shè)計(jì)

    隨著工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，對(duì)數(shù)字控制伺服系統(tǒng)中執(zhí)行效率和集成化程度的要求越來(lái)越高。比如用單處理器控制多個(gè)伺服系統(tǒng)時(shí)，對(duì)多通道A／D轉(zhuǎn)換的效率要求較高。以往較多地使用多路模擬開(kāi)關(guān)與單通道A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，效率較低，使用模擬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的噪聲也比較嚴(yán)重。在此，選用串行多通道A／D轉(zhuǎn)換器AD7890與TMS320F2812處理器的SPI接口組成A／D轉(zhuǎn)換模塊，非常適合應(yīng)用于多軸伺服系統(tǒng)。AD7890是一款8通道12位串行A／D轉(zhuǎn)換器，具有高轉(zhuǎn)換效率(轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為5．9μs)、高速靈活的串行接口、多通道等優(yōu)點(diǎn)。其中，AD7890-10輸入電壓范圍為-10～+10 V。TMS320F2812處理器上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)，它所提供的SPI接口通常用于DSP處理器和外部設(shè)備及其他處理器之間的通信。SPI分主、從兩種工作方式，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可編程(1～16 b)，并能同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送操作，通常用于DSP處理器和外部外設(shè)以及其他處理器之間的通信，這使它能很方便地與AD7890采用主／從模式進(jìn)行通信。

1 AD7890工作模式和原理
    AD7890的SMODE引腳是工作模式控制輸入端，它決定了器件是工作于外部時(shí)鐘模式(作為從設(shè)備)，還是內(nèi)部時(shí)鐘模式(作為主設(shè)備)。當(dāng)SMODE置于高電平時(shí)，器件工作在外部時(shí)鐘模式，由主設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)SCLK和接收幀同步信號(hào)RFS，AD7890可接收的最大串行時(shí)鐘頻率達(dá)10 MHz；當(dāng)SMODE置于低電平時(shí)，器件工作在內(nèi)部時(shí)鐘模式，自身提供時(shí)鐘信號(hào)SCLK和接收幀同步信號(hào)RFS，其時(shí)鐘頻率由CLK引腳輸入時(shí)鐘頻率決定。本文以DSP作為主控制器，AD7890作為從設(shè)備，由DSP的SPI口提供串行時(shí)鐘。
    AD7890通過(guò)片內(nèi)高速雙向串行數(shù)據(jù)接口接收控制字和輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過(guò)向控制寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)可以確定轉(zhuǎn)換通道、轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)等信息。其控制寄存器包含5位數(shù)據(jù)，因此至少需要6個(gè)SCLK脈沖才能完成對(duì)寄存器的寫(xiě)操作。其中，A2，A1，A0分別為通道地址選擇最高位、次高位、最低位。通道選擇算法為：通道號(hào)=4A2+2A1+A2+1。發(fā)送數(shù)據(jù)的第5個(gè)SCLK脈沖下降沿過(guò)后的數(shù)據(jù)均為無(wú)效數(shù)據(jù)。控制字寫(xiě)入寄存器后，器件即啟動(dòng)內(nèi)部延時(shí)脈沖，保證在轉(zhuǎn)換開(kāi)始前跟蹤／保持器有足夠的時(shí)間來(lái)完成轉(zhuǎn)換通道的建立和切換。該延時(shí)脈沖寬度取決于引腳電容的CEXT值。一般引腳電容值取CEXT、120 pF或200 pF。據(jù)測(cè)試，此時(shí)延時(shí)脈沖寬度分別約為7．Oμs和9．6μs。向控制寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)CEXT，引腳電平由低變高，電容在第6個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿開(kāi)始放電，電壓降低至2．5 V以下時(shí)內(nèi)部延時(shí)脈沖結(jié)束，同時(shí)A／D轉(zhuǎn)換開(kāi)始，5．9μs后轉(zhuǎn)換結(jié)束。若此時(shí)串行讀操作已完成，且RFS已變高為高電平，則用新的轉(zhuǎn)換結(jié)果更新輸出寄存器。至此，一次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束。圖1為AD7890工作原理圖，從示波器獲取的圖片顯示了CEXT引腳電平、SCLK脈沖與A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)間的關(guān)系。

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2 AD7890工作時(shí)序與讀寫(xiě)操作方法
    控制AD7890的轉(zhuǎn)換開(kāi)始有兩種方法。一是，硬件控制，即將CONVST引腳置低，器件產(chǎn)生一個(gè)窄低電平脈沖，在脈沖的上升沿A／D轉(zhuǎn)換開(kāi)始，前提是須向CONV位寫(xiě)0；二是，軟件控制，即向控制寄存器的cONV位寫(xiě)1，此時(shí)CONVST引腳不起作用。二者區(qū)別在于，采用硬件控制轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，在CONVS麗上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，此時(shí)必須保證內(nèi)部延時(shí)脈沖已經(jīng)結(jié)束；對(duì)于軟件控制，內(nèi)部延時(shí)脈沖結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)換立即開(kāi)始。需要說(shuō)明的是，在向控制寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，6個(gè)寫(xiě)操作時(shí)鐘脈沖結(jié)束前，發(fā)送幀同步信號(hào)TFS必須保持低電平，否則寫(xiě)操作不能成功。而讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果期間，接收幀同步信號(hào)RFS必須保持低電平。RFS和TFS連在一起，使SPI口的讀、寫(xiě)操作同時(shí)進(jìn)行。以DSP作為主設(shè)備，AD7890作為從設(shè)備，即工作在外部時(shí)鐘模式下，此時(shí)讀、寫(xiě)操作時(shí)序分別如圖2所示。DSP的SPISTE麗引腳具有從設(shè)備片選功能，該引腳為低時(shí)可向從設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，文中將該引腳作為通用收、發(fā)幀同步信號(hào)來(lái)控制RFS和TFS。

3 AD7890與TMS320F2812的SPI接口硬件實(shí)現(xiàn)
    TMS320F2812是TI公司推出的數(shù)字信號(hào)處理器，它在電機(jī)控制方面性能優(yōu)越，使其在工業(yè)控制中得到了非常廣泛的應(yīng)用。它所提供的串行外設(shè)接口(SPI)是一個(gè)高速同步的串行輸入／輸出口，包含4個(gè)外部引腳：從輸出／主輸入引腳(SPISOMI)、從輸入／主輸出引腳(SPISIMO)、從發(fā)送使能引腳(SPISTE)、串行時(shí)鐘引腳(SPICLK)。SPI主要特點(diǎn)是可以同時(shí)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)；可以當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作；提供頻率可編程時(shí)鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志。

    確定DSP的低速外設(shè)時(shí)鐘LSPCLK后，通過(guò)波特率控制寄存器SPIBRR，確定波特率SCLK。波特率具體計(jì)算方法是：當(dāng)SPIBRR=3～127時(shí)，SCLK=LSPCLK／(SPIBRR+1)；當(dāng)SPIBRR=0，1，2時(shí)，SCLK=LSPCLK／4，因此共具有125種可編程波特率。文中，DSP的工作頻率為120 MHz，低速時(shí)鐘LSPCLK為30 MHz，故可編程波特率范圍為234．375 kb／s～7．5 Mb／s。通過(guò)提高系統(tǒng)低速時(shí)鐘，可以提高可編程波特率范圍；通過(guò)選較高的波特率，能提高數(shù)據(jù)傳輸速率，即提高A／D的轉(zhuǎn)換效率。AD7890-10與TMS320一F2812的SPI接口硬件連接框圖如圖3所示。[!--empirenews.page--]

    由于AD7890-10數(shù)據(jù)電平為5 V，而TMS320F2812的I／O所能承受的電壓最高為3．3 V，因此必須對(duì)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為I／0口可承受的電壓。把5 V電平轉(zhuǎn)為3．3 V電平有多種方法。常用的有兩種。一是選用專(zhuān)門(mén)的電平轉(zhuǎn)換器件，如TI公司的SN74I．VTHl6245；二是把A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)中CPLD的I／O口再輸出到DSP，前提是所選CPLD可承受輸入電壓為5 V，而輸出為3．3 V。本文采用后一種方法，選用的是Altera公司的EPM7128ST1100-10，給CPLD的I／O口供3．3 V電源即可滿(mǎn)足要求。將A／D數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)CPLD的一個(gè)I／O口轉(zhuǎn)接，經(jīng)軟件進(jìn)行邏輯處理后輸出至DSP即可。需要注意的是，為避免噪聲干擾，AD7890的所有未用引腳不能懸空，必須接可承受范圍內(nèi)的固定電平。實(shí)驗(yàn)表明，特別是CLKIN引腳不能懸空，否則可能導(dǎo)致A／D轉(zhuǎn)換不能成功。對(duì)于AD7890-10，當(dāng)未使用的輸入通道電壓值低于-12 V時(shí)會(huì)對(duì)所選其他通道的轉(zhuǎn)換造成嚴(yán)重干擾。文中采取的方法是將外部時(shí)鐘輸入引腳SCLK與內(nèi)部時(shí)鐘輸入引腳CLKIN相連，可以有效去除干擾。

4 軟件讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)
    對(duì)于SPI接口而言，數(shù)據(jù)與串行時(shí)鐘脈沖是同時(shí)產(chǎn)生的，即只有數(shù)據(jù)線(xiàn)上有數(shù)據(jù)傳送時(shí)才產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。所以發(fā)送控制數(shù)據(jù)結(jié)束后，DSP收到的數(shù)據(jù)并不是真實(shí)的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，但需要讀取接收緩沖寄存器數(shù)據(jù)使SPI復(fù)位。多次實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于單次A／D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后需要再向AD7890發(fā)送2次空控制數(shù)據(jù)0x0000，之后DSP的SPI接收緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)才是正確的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即每次A／D采樣循環(huán)需要進(jìn)行三次數(shù)據(jù)交換才能得到有效A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。采用查詢(xún)方式判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送結(jié)束，即SPI狀態(tài)寄存器SPIINT FLAG位為1時(shí)表示已完成數(shù)據(jù)發(fā)送。軟件實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的流程框圖如圖4所示。

    對(duì)于AD7890-10，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，且包含通道數(shù)據(jù)，因此讀取結(jié)果后應(yīng)根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，包括屏蔽通道選擇數(shù)據(jù)和進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換等，以便換算成系統(tǒng)所需要的數(shù)字量。為便于處理，將-10～+10 V電壓對(duì)應(yīng)的碼值轉(zhuǎn)換為0～4 096。文中處理方法為：將轉(zhuǎn)換結(jié)果高四位通道數(shù)據(jù)屏蔽后，若A／D輸入為正電壓，則獲取低12位結(jié)果與0x0800相加得到處理后的數(shù)據(jù)；若A／D輸入為負(fù)電壓，則將補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換成原碼后與0xF800作差獲取處理結(jié)果。
    經(jīng)多次測(cè)試，得到A／D轉(zhuǎn)換子程序運(yùn)行時(shí)間(即一次A／D轉(zhuǎn)換總耗時(shí))與波特率對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    從表1中可以看出，為提高轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)在可承受范圍內(nèi)選擇盡可能高的波特率，但不應(yīng)超過(guò)AD7890-10的上限值10 Mb／s。對(duì)文中SPI接口的實(shí)際應(yīng)用表明，A／D轉(zhuǎn)換性能非常穩(wěn)定，效率較高，轉(zhuǎn)換精度高，誤差僅為±1碼，約4．88 mV。

5 結(jié) 語(yǔ)
    用DSP的串行外設(shè)接口SPI與串行多通道A／D轉(zhuǎn)換器AD7890組成數(shù)字伺服系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)模塊，能完成8個(gè)通道模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，效率較高，接口簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。通過(guò)選擇較高的波特率可以縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高A／D轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)DSP提供的外部時(shí)鐘SCLK為AD7890所能承受的最高值10 MHz時(shí)，單個(gè)通道徹底完成一次A／D轉(zhuǎn)換僅需12．4μs。本文所做的接口設(shè)計(jì)為多軸數(shù)字控制系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換模塊提供了一種實(shí)用的選擇與參考。