高精度AD轉(zhuǎn)換器AD7864與DSP接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、高精度a/d轉(zhuǎn)換器ad7864與dsp接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要 詳細(xì)介紹了高精度4通道同步采樣a/d轉(zhuǎn)換器ad7864的特點(diǎn)和工作方式，以及ad7864與dsp外部存儲(chǔ)器接口進(jìn)行異步數(shù)據(jù)通信的控制方法。給出ad7864與tms320c6711的接口電路，詳細(xì)介紹了工作過(guò)程，最后給出了ad7864與tms320c6711接口軟件編程實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞 ad7864；dsp ；emif ；接口 design and implementation of interface between dsp and high precision a/d converter ad7864 mu hong-de wang j

2、un-feng shi tie-lin(huazhong university of science & technology, wuhan 430074, china)abstract this paper describes the feature and principle of ad7864,which is a 4-channel,simultaneous sampling,high speed and low power12-bit adc.explains the control method of asynchronous data communication betw

3、een ad7864 and emif of dsp.gives the interface design between ad7864 and tms320c6711,including interface circuit and software implementation.keywords ad7864；dsp；emif；interface中圖分類號(hào)：tn79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b0 引言在對(duì)激光束進(jìn)行位置測(cè)量時(shí)，需要同時(shí)采集多路信號(hào)，如測(cè)量激光束的位置信息和角度信息，再通過(guò)一定的算法計(jì)算來(lái)確定激光束的位置偏差情況。在這個(gè)過(guò)程中，多路信號(hào)同時(shí)采樣對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度有著很重要的意義。一般的a

4、/d轉(zhuǎn)換器內(nèi)部只有一個(gè)采樣保持器，若要實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)采樣，或者使用多個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器，或者加額外的采樣保持器。ad7864卻可以直接適應(yīng)這個(gè)需求，它是4通道同時(shí)采樣的高精度a/d轉(zhuǎn)換器，高速并行輸出接口與dsp芯片tms320c6711的外部存儲(chǔ)器接口直接相連，此方案實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)精確測(cè)量，具有精度高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)功耗低的特點(diǎn)。1 ad7864的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和工作方式1.1 ad7864的特點(diǎn)ad7864是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的一款高精度、高采樣頻率、低功耗的信號(hào)采集芯片，分辨率為12位，可實(shí)現(xiàn)4通道同時(shí)采樣。ad7846的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.65 µs/ch，采樣保持時(shí)間為0.35 &#

5、181;s，單通道最高采樣頻率為500 ksps。若四通道同時(shí)采樣，每通道最高采樣頻率可達(dá)130 ksps。信號(hào)輸出采用12位高速并行數(shù)據(jù)輸出接口，不需要電平轉(zhuǎn)換等處理，可直接連接mcu。通道選擇可以通過(guò)硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取可以選用內(nèi)部時(shí)鐘模式或外部時(shí)鐘模式。信號(hào)輸入范圍很寬：±10 v，±5 v（ad7864-1型）；0 v2.5 v，05（ad7864-2型）；±2.5 v（ad7864-3型），而且具有電壓過(guò)載保護(hù)功能。由+5 v單電源供電，功耗低達(dá)90 mw，省電模式下可低達(dá)20 µw，可方便用于便攜式設(shè)備和電池供電設(shè)備。1.2 內(nèi)部結(jié)

6、構(gòu)和引腳配置ad7864內(nèi)部集成12位逐次逼近式adc、4個(gè)采樣保持器、多路轉(zhuǎn)換器器和鎖存器、內(nèi)部晶振時(shí)鐘、輸出數(shù)據(jù)寄存器、2.5 v參考電壓、緩沖器和電阻網(wǎng)絡(luò)等。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1 ad7864 結(jié)構(gòu)框圖ad7864采用44引腳mqfp封裝，引腳包括控制引腳、數(shù)字輸出并口引腳、模擬輸入引腳和電源引腳等，其中關(guān)鍵控制引腳的功能說(shuō)明如下：busy：busy輸出信號(hào)。/convst信號(hào)的上升沿觸發(fā)busy信號(hào)為高電平，并保持高電平直到所選擇通道的轉(zhuǎn)換完成。/convst：采樣啟動(dòng)輸入信號(hào)。啟動(dòng)所選擇的通道開(kāi)始采樣。 /cs：芯片選擇片選輸入信號(hào)。低電平有效，當(dāng)輸入信號(hào)有效時(shí)，芯片被選通。/

7、rd：讀輸入信號(hào)。低電平有效，通過(guò)/cs和/rd聯(lián)合控制可以讀出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。在執(zhí)行讀操作時(shí)，要保證/wr引腳為邏輯高電平。 /wr：寫(xiě)輸入信號(hào)。/wr的上升沿，同時(shí)/cs低電平、/rd高電平，這時(shí)將db0到db3的邏輯狀態(tài)鎖存到通道選擇寄存器。sl1sl4：硬件通道選擇。當(dāng)/h/s sel為邏輯0，通過(guò)sl1sl4電平來(lái)控制轉(zhuǎn)換通道。 /h/s sel：硬/軟件選擇輸入。當(dāng)引腳電平為邏輯0，ad7864的轉(zhuǎn)換順序由sl1sl4輸入來(lái)控制。當(dāng)引腳電平為邏輯1，轉(zhuǎn)換順序通過(guò)通道選擇寄存器來(lái)控制。/int/ext clk：內(nèi)部/外部時(shí)鐘選擇輸入。當(dāng)這個(gè)引腳電平為邏輯0，ad7864應(yīng)用它內(nèi)部產(chǎn)生主

8、控時(shí)鐘。當(dāng)這個(gè)引腳為邏輯1，主控時(shí)鐘由外部器件來(lái)產(chǎn)生。./eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào).。低電平有效，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束在這個(gè)引腳產(chǎn)生一個(gè)下降沿。1.3 工作方式1.3.1 時(shí)鐘模式ad7864通過(guò)引腳/int/ext clk來(lái)決定工作在內(nèi)部時(shí)鐘模式還是外部時(shí)鐘模式。內(nèi)部時(shí)鐘模式可最優(yōu)化ad7864的特性，內(nèi)部時(shí)鐘模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.65 µs，采樣頻率可達(dá)到最高。而外部時(shí)鐘模式的最高時(shí)鐘頻率是5 mhz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.6 µs。 然而，外部時(shí)鐘模式也具備一定的優(yōu)點(diǎn)。例如，通過(guò)使用同樣的外部時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)或者更多的ad7864同步采樣和轉(zhuǎn)換。1.3.2 通道選擇ad7864可以選擇vin

9、1到vin4這4個(gè)通道的任意子集來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，被選擇的通道按升序排列進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換順序可以通過(guò)硬件通道選擇引腳（sl1到sl4）或可編程通道選擇寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)/convst變成邏輯高時(shí)，硬件通道選擇引腳上的高電平或者通道選擇寄存器的邏輯1確定相應(yīng)的模擬通道轉(zhuǎn)換順序（見(jiàn)圖1）。1.3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取 處理器讀取ad7864轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有兩種方法：轉(zhuǎn)換中讀取和轉(zhuǎn)換后讀取。前者是在下一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完之前讀取前一個(gè)通道的數(shù)據(jù)。后者則是在所有通道都轉(zhuǎn)換完讀取數(shù)據(jù)。 轉(zhuǎn)換中讀取數(shù)據(jù)芯片可以達(dá)到最高的數(shù)據(jù)吞吐率。其具體工作過(guò)程如下：一次轉(zhuǎn)換從轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/convst的上升沿開(kāi)始，4個(gè)采樣保持器同時(shí)處

10、于保持狀態(tài)，1.65µs后，得到轉(zhuǎn)換順序中第一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換都有1.65µs的間隔。/eoc信號(hào)的下降沿便是每次轉(zhuǎn)換的結(jié)束。busy輸出信號(hào)表示所有選擇通道轉(zhuǎn)換都完成。每次/eoc信號(hào)變成低電平，執(zhí)行一次讀操作。轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)的具體工作過(guò)程如下：當(dāng)轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/convst上升沿時(shí)，4個(gè)采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，開(kāi)始對(duì)選擇的通道采樣。同時(shí)，busy輸出信號(hào)被觸發(fā)為高電平，并在轉(zhuǎn)換過(guò)程中一直保持為高，當(dāng)全部通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才變?yōu)榈碗娖健?eoc信號(hào)在每一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)均有效。全部通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在ad7864內(nèi)部相應(yīng)的鎖存器中。全部通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，當(dāng)片選信號(hào)

11、和讀信號(hào)有效時(shí)，就可以按照轉(zhuǎn)換順序從數(shù)據(jù)總線上并行讀取數(shù)據(jù)。2 dsp外部存儲(chǔ)器接口emif特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)tms320c6711是ti公司的新一代高性能32位浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器，主頻可達(dá)150 mhz。dsp訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)必須通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（emif），emif不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率（最高可達(dá)1200mb/s），而且可以與目前幾乎所有類型的存儲(chǔ)器直接接口。emif的異步接口提供4個(gè)控制信號(hào)，如表1所示。這4個(gè)控制信號(hào)可以通過(guò)不同的組合（并非都需要）實(shí)現(xiàn)與不同類型異步器件的無(wú)縫接口。emif的cexctl寄存器負(fù)責(zé)設(shè)置異步讀/寫(xiě)操作的接口時(shí)序，可以滿足對(duì)不同速度的異步器件的存取。表1 em

12、if 異步接口信號(hào)emif異步接口信號(hào)用途/功能/aoe輸出允許，在整個(gè)讀周期中有效/awe寫(xiě)允許，在寫(xiě)周期中觸發(fā)階段保持有效/are讀允許，在讀周期中觸發(fā)階段保持有效ardyready信號(hào)，插入等待3 ad7864和tms320c6711硬件接口設(shè)計(jì)圖2為tms320c6711與ad7864接口示意圖，cd74hct154是的一個(gè)416譯碼器，使/e1和/e2均為低電平選通譯碼器，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備（如ad，da，ram等）對(duì)dsp的emif的復(fù)用。譯碼器由emif的/ce3選通，將emif地址線低4位a3:0的輸入數(shù)據(jù)譯碼為16個(gè)選通信號(hào)。其中/y0和/y1分別連接ad7864的轉(zhuǎn)換起始信

13、號(hào)/convst和片選信號(hào)/cs。讀使能信號(hào)/rd連接在emif的/are，寫(xiě)使能信號(hào)/wr連接在emif的/awe，ad7864轉(zhuǎn)換結(jié)果12位并行數(shù)據(jù)傳送給emif數(shù)據(jù)總線的低12位ed11:0。狀態(tài)信號(hào)busy連接到 圖2 ad7864與tms320c6711接口示意圖dsp的外部中斷ext_int4引腳，觸發(fā)dsp外部中斷，讀取并行數(shù)據(jù)。/h/s sel接高電平，通過(guò)軟件選擇通道。/int/ext clk接低電平，采用內(nèi)部時(shí)鐘模式。四個(gè)模擬通道輸入引腳連接如圖2所示，每個(gè)通道信號(hào)的輸入范圍定為05 v。數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換的工作過(guò)程如下：1.置片選信號(hào)/cs和寫(xiě)使能信號(hào)/wr為低電平，將通道選

14、擇信息寫(xiě)入通道選擇寄存器。2.置轉(zhuǎn)換起始信號(hào)/convst為低電平，ad7864先鎖存選擇的通道選擇寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，并開(kāi)始對(duì)選擇的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這時(shí)busy保持高電平。3.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，busy信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在其下降沿觸發(fā)dsp外部中斷ext_int4，然后將片選信號(hào)/cs和讀使能信號(hào)/rd同時(shí)設(shè)置為低電平，讀取數(shù)據(jù)。4 軟件流程對(duì)ad7864的控制由運(yùn)行在dsp上的軟件完成。軟件的流程總體上分為通道選擇、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)等部分。#define addr_beam_sensor_enable 0xb0000001#define addr_beam_select_and_da

15、ta 0xb0000002void parallel_ad (short channelno)short enabled=1;short a,b;*(unsigned volatile char *)addr_beam_select_and_data=channelno;/* /cs、/wr選通，將通道編號(hào)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)寄存器地址 */*(unsigned volatile short *)addr_beam_sensor_enable= enabled;/* /convst選通，開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) */a=*(unsigned volatile char *)addr_beam_select_and_

16、data;/* /cs、/rd選通，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放到預(yù)定的16位地址*/b=a&0x0fff;/* 16位數(shù)據(jù)中的低12位有效 */ 5 結(jié)束語(yǔ)本文詳細(xì)介紹了adi公司的高精度a/d轉(zhuǎn)換器ad7864的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和工作方式，給出ad7864與dsp的emif的并行通訊接口設(shè)計(jì)及c語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的代碼，此方案已成功應(yīng)用到一套激光束測(cè)量系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：14-channel,simultaneous sampling,high speed,12-bit adc ad7864. analog devices inc.20042張雄偉.dsp芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用（第2版）m.電子工業(yè)出版社，200

17、03李方慧,王飛,何佩琨.tms320c6000系列dsps原理與應(yīng)用（第2版）m.電子工業(yè)出版社,20034tms230c6711 floating-point digital sigal processor，texas instruments inc,1999作者簡(jiǎn)介：穆洪德（1980-），男，滿族，碩士研究生，機(jī)械電子工程專業(yè)，主要從事嵌入式控制系統(tǒng)、信號(hào)采集與處理等方面的研究。王峻峰（1964-），男，漢族，副教授，機(jī)械電子工程專業(yè)，主要從事故障診斷、信號(hào)分析處理及嵌入式控制系統(tǒng)等方面的研究。史鐵林（1964-），男，漢族，教授，博士生導(dǎo)師，機(jī)械電子工程專業(yè)，主要從事故障診斷，人工智能、微機(jī)電系統(tǒng)等方面的研究。mu hong-de, male, born in 1980, man, master, mechanical electronics specialty. now engaged in embedded control system, signal sampling and processing.wang jun-feng, male, born in 1964, han, associate professor, mechanical electronics specialty. now engaged in fault diagnoses, s