TMS320F2407與AD73360接口電路設計

1、2012-07-19#t#m#s#3#2#0#f#22400127-07與-19#a#d#7#3#3#260102-07-19#接口電路設計*1 鄭州大學電氣工程學院 河南鄭州 4500012 鄭州大學科研處* 毛曉波1趙峰2黃俊杰1摘要：介紹兩種不同結(jié)構(gòu) spi 的接口電路軟硬件設計方法。給出了由 tms320f2407 dsp 與16 位 -a/ d 轉(zhuǎn)換器 ad73360 組成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、6 通道相關 聯(lián)信號同時采樣、內(nèi)置抗混疊濾波器和程控放大器、采樣速率和抗混疊濾波頻率可通過編程 選擇等特點，最高采樣率可達 64 k/ s, 已在礦山設備機械故障診斷、電力參數(shù)

2、測量系統(tǒng)中得 以應用，效果良好。敘詞：數(shù)據(jù)采集 spi -a/d 轉(zhuǎn)換器目 前對多路相互關聯(lián)信號實現(xiàn)同時、同步采樣的1ad73360 性能簡介ad73360 是 ad 公司推出的可編程 16 位 -a/ d 轉(zhuǎn)換器。每個 a/ d 轉(zhuǎn)換通道由程控放大器、高速采樣 的 -a/ d 調(diào)制器、抽取數(shù)字濾波器組成。放大器增 益、采樣率、抗混疊數(shù)字濾波器的截止頻率均可編程 設置2 。具體性能如下：(1) 各放大器增益在 038 db 分 8 檔編程設置； (2) 最高采樣率達 64 k。當 dmclk=16.384 mhz時，采樣率可編程為：8 k、16 k、32 k 和 64 k； (3) 數(shù)字濾波器

3、截止頻率等于 1/ 2 采樣頻率；(4) 可編程設置同步串行口 (dmclk、dmclk/ 2、 dmclk/ 4、dmclk/ 8) 波特率，與不同速度的微處理 器進行數(shù)據(jù)通訊；(5) 具有良好的可擴展性，最多可 8 片級聯(lián)使用， 擴展測量 48 路獨立的 a/ d 轉(zhuǎn)換通道；(6) 片內(nèi)基準電壓源，可編程選擇 1.25 v 或 2.5 v； (7) 單 2.55.5 v 電源供電；(8) 信噪比高 (88 db)，量化噪聲小 (77db)； (9) 抗干擾能力強、線性度好。ad73360 內(nèi)部有 個控制寄存器 (cra、crb、crc 、crd 、cre 、crf 、crg 、crh) ，

4、完成對上述 的各種設置。ad73360 r-28 封裝形式的引腳布置如圖 1 所示。 各引腳功能簡述如下3：re set ：復位端，低有效； se：串行口使能端，高有效，低電平串行口停止工作，進入節(jié)電狀態(tài)； mclk ：主時鐘輸入端； sclk ：串行時鐘輸出端；sdi 和 sdifs：數(shù)據(jù)輸入和幀同步信號輸入，用于 同步接收一幀數(shù)據(jù)；方法主要有兩種：一種是使用多片采樣保持器、多路模擬開關和單片單通道逐次逼近式并行高速a/ d 轉(zhuǎn)換器，再輔以同步信號產(chǎn)生電路、多路復雜的 抗混疊濾波電路組成，這樣可同時采集多路信號送采樣保持器保持，然后通過模擬開關切換分別送入 a/ d 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。該方法使

5、用一片高速 a/ d 轉(zhuǎn)換器實 現(xiàn)多路信號同時采樣。但外置多片采樣保持器、模擬開關及復雜的抗混疊濾波電路使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、編 程麻煩，成本也未能降低；另一種是采用多通道高速 逐次逼近式并行 a/ d 轉(zhuǎn)換器，但 16 位以上的高速并行 a/ d 轉(zhuǎn)換器通常為單通道或兩通道，且價格昂貴， 要實現(xiàn)多路 (6 路以上) 信號同時采樣需要多片高速 a/ d 轉(zhuǎn)換器，使得成本大大增加。本文采用可編程 6 通道 16 位串行-a/ d 轉(zhuǎn)換 器 ad73360 與 tms320f2407 dsp 兩芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)采 集與處理系統(tǒng)。由于 ad73360 能保證 6 路模擬信號同時采樣，在變換過程中延遲很小，且

6、具有良好的內(nèi) 置抗混疊性能和內(nèi)置可編程程控增益放大器，節(jié)省了 許多外圍電路，使構(gòu)成的采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，16 位高分辨率和最高 64 k 采樣率為獲得高精度的測量結(jié) 果提供了保證1。此外，與并行接口相比，采用串行接口使硬件連接線大為減少，不僅可以減少印制電路板的面積，還 可以減少電磁干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。 文中詳 細介紹同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件 tms320f2407 dsp 與 ad73360 接口電路的軟、硬件設計方法。* 河南省自然科學基金資助項目(編號：0611052900)。* 作者簡介：毛曉波，1965 年生，男，1989 年畢業(yè)于合肥工業(yè)大 學自動化專業(yè)，獲碩士學位。現(xiàn)

7、任鄭州大學副教授，碩士生導師， 河南省優(yōu)秀中青年骨干教師。2004.92005.8: 日本東京工業(yè)大學訪問學者。從事嵌入式系統(tǒng)、智能儀器儀表的教學與科研工作。(上接第 103 頁) 增加支承點數(shù)，以減小支承跨度，增加管系剛度，提高管道的固有頻率避開機械共振區(qū)。2 張德姜等. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊. 北京：中國石化出版社，1994(收稿日期：2007-01-20)2012-07-19#參 #考#文 #獻#2012-07-19#20(修1改2稿-日期0：720-07-1049-0#3) #1 馬大猷. 聲學手冊. 北京：科學出版社，2004通用sdo 和 sdof- 發(fā)送、接受數(shù)據(jù)的幀

8、同s ：數(shù)據(jù)輸出和幀同步輸出，用于 a/ d 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出;其余的引腳分 別為 6 路模擬輸 入、模擬電源和數(shù) 字電源等。ad73360 的 sport 是 16 位的同 步串行口，通過 6 條通訊線實現(xiàn)數(shù)據(jù) 的雙向同步通訊， 并且只能工作在主 控方式。ad73360 的串 行口有 3 種工作模步5。筆者通過對 2 種不 同總線結(jié)構(gòu)的同步串行 口的工作原理和時序分析，設計如圖 3 所示的 接口電路。dsp(tms320f 2407) 的 spiste 接地， 使同步串行口處于從動 使能狀態(tài)；dsp 的 iope1圖 3 tms320f2407 與ad73360 接口電路與 ad73360 的

9、reset 和ce 相連接，控制 ad73360 的復位和串行口使能；ad73360 的 2 個幀同步信號接成幀同步返回環(huán)方式， 即輸出的幀同步 sdofs 作為輸入幀同步 sdifs，同時 連接 dsp 的 xint1 輸入端，作為 dsp 的收/ 發(fā)數(shù)據(jù) 的幀同步信號。并根據(jù) ad73360 的時序要求，通過軟 件設計，實現(xiàn) dsp 與 ad73360 的數(shù)據(jù)通訊。圖 1 ad73360 引腳圖式：編程模式、數(shù)據(jù)模式和混合模式。編程模式只接收控制命令字，用于對各個控制寄存器的設置；數(shù)據(jù) 模式只輸出采樣數(shù)據(jù)；混合模式允許在輸出采樣數(shù)據(jù) 的過程接收控制字。ad73360 復位后，各控制寄存器全

10、部清零，默認 采樣率為 mclk/ 2048，sclk 的頻率為 mclk/ 8，各 a/ d 轉(zhuǎn)換通道均處于停止工作狀態(tài)，同步串行口工作 在編程模式，等待微處理器對控制寄存器進行初始 化。并且在每個采樣周期輸出一個幀同步信號 sdofs ，但在 sdo 數(shù)據(jù)輸出線上輸出無效數(shù)據(jù)。4tms320f2407 與 ad73360 接口軟件設計ad73360 工作在主動方式，因此，dsp 的同步串 行口必須工作在從動方式。dsp 在 ad73360 的 sdofs 幀同步信號的作用下，通過串行口實現(xiàn)對 ad73360 的 初始化和讀入 a/ d 采樣數(shù)據(jù)。4.1ad73360 初始化程序設計dsp

11、采用查詢方式對 ad73360 進行初始化。當 dsp 的 iope1 輸出電平由低變高時，使 ad73360 同 步串行口使能有效、同時復位過程結(jié)束，復位后， ad73360 串行口被置為編程模式，并在每個采樣周期 sdofs 端輸出一個 sclk 時鐘周期的幀同步脈沖，由 于電路連接為幀同步返回環(huán)方式，該脈沖即為 sdifs 端的輸入幀同步脈沖。每個幀同步脈沖允許 sport 接 收一個 16 位控制命令字。同時，當 dsp 檢測到 xint1 引腳的上升沿時，在表中查出一個控制字，裝入 spi 發(fā)送緩沖寄存器 spitxbuf，并激活 dsp 的 spi 串行 口，在移位脈沖的控制下，通

12、過數(shù)據(jù)線 spiosmi 移入 ad73360 移位寄存器。當 dsp 檢測到 16 位數(shù)據(jù)發(fā)送 完時，復位 spi 串行口。同時，ad73360 根據(jù)接受數(shù) 據(jù)的高 8 位，將低 8 位裝入相應的控制寄存器。dsp 重新查詢 xint1 引腳的上升沿，發(fā)送下個控制字。當 第 8 個控制字 (數(shù)據(jù)模式控制字) 發(fā)送完畢，ad73360 初始化過程結(jié)束，此后不再接受控制命令，轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù) 模式，發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。4.2采樣數(shù)據(jù)讀取程序設計ad73360 初始化完成后，dsp 用中斷方式實現(xiàn)對 采樣數(shù)據(jù)的讀取。ad73360 在每次 a/ d 轉(zhuǎn)換完成后， 發(fā)送 6 個通道的采樣值，在發(fā)送每個采樣值的前一

13、個移 位脈沖先發(fā)送一個幀同步信號。該信號的上升沿產(chǎn)生 xint1 中斷，在 xint1 中斷服務程序中先復位 spi、 清除接受的無效數(shù)據(jù)，再開 spi 中斷并激活 spi 串行口 允許接收數(shù)據(jù)。在 sclk 的作用下，將 ad73360 的采 樣數(shù)據(jù)，通過 spisimo 移入 dsp 的移位寄存器，當16 位采樣值接收完畢，spi 產(chǎn)生中斷，spi 中斷服務 程序保存采樣值，修改地址指針，并禁止 spi 串行口中斷。當 6 個通道的采樣值全部接收完畢，只有再次 a/ d 轉(zhuǎn)換完成，由 xint1 中斷激活 spi 串行口，才ad73360 串行口時序如圖 2所示3。圖 2 ad73360

14、串行口時序2tms320f2407同步串行口tms320lf2407 dsp 的 16 位同步串行口 spi可工作于主動或從動 2 種工作方式4。它只有一個移位寄存器，僅含有 4 條通訊總線：spisomi 從動輸出/ 主 動輸入數(shù)據(jù)線；spisimo 從動輸入/ 主動輸出數(shù)據(jù)線； spiclk 串行同步時鐘；spiste 從動方式 spi 端口使 能，由主控機輸入，低電平有效。spi 接口多個數(shù)據(jù)發(fā) 送和接收時，在 spiclk 控制下，數(shù)據(jù)是連續(xù)傳輸， 每個數(shù)據(jù)間沒有間隔，除非 spiste 無效，才能停止數(shù) 據(jù)的傳輸。3tms320f2407 與 ad73360 接口電路設計tms320

15、f2407 和 ad73360 都有一個 16 位的同步 串行口，但 4 總線結(jié)構(gòu)與 6 總線結(jié)構(gòu)的通訊標準不 同，因此，tms320f2407 必須進行總線擴展，才能與 ad73360 的 6 線結(jié)構(gòu)串行口相連。否則，將無法保證105mining & processing equipment通用允許接收數(shù)據(jù)。.由于 dsp 采用 xint1 和 spi 兩個中斷源，不僅保證 dsp 與 ad73360 不同通訊總線的數(shù)據(jù)幀同步傳 輸，而且使主程序有充分時間對采樣數(shù)據(jù)進行分析處理，保證數(shù)據(jù)無間隙采樣和數(shù)據(jù)分析。 初始化和采樣數(shù)據(jù)讀取程序清單如下。gisr1：ldp lacc add；int1

16、中斷程序#0e0hpivr，1；取二級中斷矢量#pvectors ；中斷跳轉(zhuǎn)表首址bacc ；轉(zhuǎn)對應中斷程序入口xint1 中斷啟動 spi xint ：;i/ o 端口初始化及復位 ad73360；ldp#dp_pf2；7080h-70ffhlaclmcrc and #0ffbfhldpsplk splk splkdp_pf1#000fh，spiccr#0001h，spictl#800fh，spiccr；復位 spi，暫停 1 周期；從機接收，中斷使能；啟動 spi，16 位格式sacl mcrclaclmcra ；定義 iope1 為一般 i/ oand #0fffdhclrcintm r

17、et ；系統(tǒng)開中斷sacl mcra；定義 iopa2為一般i/olacl and sacllacl or saclldpsplkpedatdir #0ffdfh pedatdir ；復位pedatdir #0020h；spi 中斷讀一個采樣值spiint：ad73360ldplacl mar sacl banz adrk lar ldp splkspiint1：#0e0h；7000-707fh 頁地址spirxbuf ；讀 spi 接收的采樣值*，ar7 ；基地址pedatdir ； 選通、啟動 ad73360*+ ，ar6 ；保存采樣值#0e0h；7000h-707fh 頁地址spiint

18、1，ar4 ；6 個采樣值沒有讀完轉(zhuǎn)#000fh，spiccr ；復位 spi，16 位格式#1；ar4+1 待處理采樣次數(shù)splk #0002h，spictl ；從機方式，允許發(fā)送查詢方式初始化 ad73360ar6，#5 ；ar6 采樣值個數(shù)#0e0h#000fh，spiccr；復位 spi，停止接收；lacc lar mar csh0 ： ldp csh1 ： bitbcndldp tblraddsplk csh2 ：bitbcnd splk#kzbat ar0，#7*，ar0 ；控制字首地址；循環(huán)次數(shù)clrc intmret； 控制字表 kzbat ：；系統(tǒng)開中斷；中斷返回#dp_pf

19、2padatdir，13csh1,ntc ；tc；查詢幀同步信號= 0 轉(zhuǎn) csh1.word8106h；向 crb寫入05h：dmclk=mclk ；sclk=dmclk/ 4 ;；采樣率=dmclk/ 102482c1h ；向 crc 寫入 c1h：5v 工作；2.5 v 基準，6 通道全加電#dp_pf1 ；地址 7041hspitxbuf ；取控制字送發(fā)送緩沖區(qū)#1 ；地址 1.word#008fh，spiccr ；啟動 spi，16位格式.word8388h；向 crd 寫入 88h：通道 1、2 工作；放大器增益均設置為0db ；向 cre 寫入 88h：通道 3、4 工作；放大器

20、增益均設置為 0 db；向 crf 寫入 88h：通道 5、6 工作；放大器增益均設置為 0 db；向 crg 寫入 00h,；1 至 6 通道設置為差動工作方式；向 crh 寫入 00h，；設置 1 至 6 通道為同相輸入方式；向 cra 寫入 01h，；設置為數(shù)據(jù)模式,禁止軟復位spists，9 ；查詢發(fā)送狀態(tài)csh2，ntc；tc = 0，未發(fā)送完轉(zhuǎn) csh2.word8488h#000fh，spiccr；復位 spibanz csh0 ；ar00； 中斷方式讀取采樣值轉(zhuǎn)，ar0-1.word8588hldplacl orsacl setc clrc clrc clrc ldpsplk

21、splk ldpsplk clrc dp_pf2mcra #0002hmcra ；定義 intm sxm ovm cnf #0#20h ，imr 0ffffh，ifr dp_lf1.word8600h.word8700hiopa2為xint1方式.word8001h5結(jié)語本文介紹了 tms320f2407 和 ad73360 接口電路 的軟硬件設計方法。實踐表明，由 tms320f2407 和 ad73360 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)可方便地對 6 路 (可擴展至 48 路) 相關聯(lián)信號進行同時采樣、程控增益 放大、抗混疊濾波，且具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、測量精度 高、工作穩(wěn)定和可程控選擇采樣率、抗混

22、疊濾波頻率等 優(yōu)點。其設計方法已在礦山設備機械故障診斷、電力#8007h ，xint1cr；上升沿，開中斷intm ；系統(tǒng)開中斷； 有采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理xhcl ：.系統(tǒng)參數(shù)測量等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲得(下轉(zhuǎn)第107頁)110066mining & processing equipment通用論文編號：1001-3954(2007)07-0107-109利用報廢車床改制缸體除銹珩磨機張建軍大同煤礦集團力泰有限責任公司 山西大同 037036摘要：闡述了如何利用失精報廢馬鞍型車床改制成缸體除銹珩磨機的內(nèi)容，以原報廢車床為基體，缸體夾緊采用原車床$ 500 四爪卡盤，重新設計中心架，使缸體定位。珩磨

23、運動機構(gòu) 通過珩磨頭、拖板尾架來實現(xiàn)。根據(jù)珩磨原理設計液壓系統(tǒng)、液壓缸及電氣系統(tǒng)，從而使一 臺報廢車床得到再利用，解決了液壓缸體的除銹問題，填補了盲孔珩磨加工除銹的空白。 敘詞：報廢車床 改制 缸體 珩磨機液 壓油缸是液壓支架的重要部件，使用過程中由2 設計內(nèi)容2.1 夾緊定位裝置的設計根據(jù)油缸為軸類零件的特點，夾緊定位方式采用 卡盤夾緊中心架支承。由于油缸外表面為非加工毛坯 面，與內(nèi)孔表面不同軸，因此只能采用四爪卡盤夾 緊。通過靠近缸底一側(cè)的架口找正，使內(nèi)孔軸線基本 與主軸軸線重合。其偏差可控制在 12 mm 以內(nèi)。因 公司修理的缸筒外圓最大直徑為 $ 275 mm，所以選用 原車床使用的

24、$ 500 mm 的四爪卡盤。液壓缸長期在井下惡 劣的環(huán)境下工作，缸體外 表面銹蝕較為嚴重。架口 被銹蝕，中心架上使用的 銅質(zhì)或鑄鐵支承爪會很快 磨損，不利于正常的生產(chǎn) 加工。因此，將中心架上3 個支承爪全部設計為滾 動摩擦，減小了磨損，從 而保證加工的順利進行(如于受其生產(chǎn)環(huán)境、工作介質(zhì)及使用時間的影響，在缸筒內(nèi)壁形成不同程度的氧化生銹或腐蝕成斑，僅靠清洗無法復原，去銹除斑的唯一途徑就是采 用內(nèi)孔珩磨加工工藝，使其在大修公差范圍內(nèi)修復回 用。而液壓缸體是一端封閉的盲孔缸筒，修復缸體相 當于盲孔珩磨?，F(xiàn)有 m4120 深孔珩磨機無論從結(jié)構(gòu)上 還是規(guī)格上都無法實現(xiàn)盲孔珩磨，致使大量的缸體不 得以

25、將缸底鋸掉，再制造新缸筒加以補充，費工費 料，大量資金外流，給工廠造成了很大的損失。所 以，解決盲孔珩磨勢在必行。就目前市場價格來講，購買 1 臺深孔珩磨設備約 需 3040 萬元，為節(jié)省資金就是利用現(xiàn)有設備，拓展 加工能力。公司現(xiàn)有 1 臺報廢車床 c630，主軸箱等部 件運轉(zhuǎn)仍然正常，其主軸與導軌之間的距離足以滿足 盲孔缸筒的裝夾要求。根據(jù)珩磨加工只改變表面粗糙 度而不改變形位公差的特點，保留車床床頭箱的主運 動機構(gòu)實現(xiàn)珩磨加工的主運動，其它部分局部設計改 造，使其能符合深孔珩磨加工除銹的要求。圖 2 中心架支承爪圖1工作原理根據(jù)原車床的性能及珩磨加工的要求，并考慮到圖 2 所示)。2.2珩磨運動機構(gòu)的設計根據(jù)珩磨加工的特點，其進給運動包括 2 部分內(nèi)容。(1) 珩磨頭的軸向往復運動 參考 m4120 深孔珩 磨機，珩磨頭的往復運動以液壓系統(tǒng)控制液壓油缸活 塞桿的往復運動，牽引著拖板后尾架，通過與后尾架 相關聯(lián)的珩磨桿，帶動珩磨頭做往復運動。液壓系統(tǒng)原理圖如圖 3 所示。系統(tǒng)通過控制電路 中的限位開關控制三位四通電液動換向閥實現(xiàn)自動換 向。由于珩磨頭在往復運動過程中都在進行磨削，為 了達到很好的磨削效果，保證往復運