高速DSP與串行A/D轉換器TLC2558接口的設計
摘 要:根據高速定點(diǎn)DSP芯片TMS320F206的特點(diǎn),提出使用串行A/D轉換器TLC2558作為DSP系統的模擬量輸入部分,解決了以往基于并行數據傳輸的A/D轉換器不能與高速DSP進(jìn)行很好配合的問(wèn)題。在此基礎上設計了DSP與串行A/D轉換器連接的硬件電路,并就A/D轉換在軟件設計時(shí)應注意的問(wèn)題進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞:串行通信,A/D轉換,DSP,同步串行口
DSP(Digital Signal Processor)芯片與單片機相比,具有運算速度更快、功能更強的特點(diǎn),它自誕生以來(lái)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。隨著(zhù)DSP芯片應用的普及,DSP處理速度快的特點(diǎn)使它在與普通A/D轉換器接口時(shí)遇上了困難,使普通的、以并行接口傳輸數據的A/D轉換器與DSP接口時(shí)出現讀數不可靠的問(wèn)題。為此,需要利用DSP芯片的其它接口資源作為A/D轉換數據的輸入。

1 芯片簡(jiǎn)介
1.1 TMS320F206
TMS320F206是TI公司TMS320C2xx系列16位高速定點(diǎn)DSP芯片,具有先進(jìn)的哈佛結構,采用流水線(xiàn)操作和高度專(zhuān)業(yè)化的指令系統,集成了片內外圍設備和片內存儲器。當采用20MHz晶振作為時(shí)鐘源時(shí),它的主時(shí)鐘周期為50ns。F206芯片具有一個(gè)同步串行口,它能提供與編譯碼器、串行A/D轉換器等串行器件的直接通信。在20MHz的時(shí)鐘下,發(fā)送和接收操作的最大傳輸速率是10Mbit/s,并有四級深度的發(fā)送和接收FIFO緩沖器,在與同步串行口相關(guān)的引腳中,DX為發(fā)送串行數據引腳;FSX是幀同步信號,用來(lái)啟動(dòng)傳送(數據幀的開(kāi)始);CLKX為發(fā)送時(shí)鐘信號,定時(shí)進(jìn)行位傳送。同步串行口接收部分對應的引腳相應為DR、FSR和CLKR。
1.2 TLC2558
TLC2558也是TI公司生產(chǎn)的高性能12位串行模數轉換器,共有8路模擬通道,最大采樣率為400ksps,自帶有8級FIFO,輸入模擬量電壓在0~5V之間。TLC2558的內部結構原理如圖1所示。由圖1可見(jiàn),TLC2558由控制邏輯電路、A/D轉換器、多路轉換開(kāi)關(guān)和采樣/保持器、參考電壓、FIFO、配置寄存器(CFR)和命令寄存器(CMR)等部分構成。配置寄存器(CFR)用來(lái)設定TLC2558的工作方式,它和外部的控制信號一起可以有效地控制芯片的工作,包括采樣、轉換、讀取數據等;命令寄存器CMR用來(lái)選擇模擬量輸入通道和讀寫(xiě)CFR。在外接的信號中,SCLK引腳接時(shí)鐘信號,芯片通過(guò)引腳SDI在SCLK時(shí)鐘的下降沿接收數據,通過(guò)引腳SDO在SCLK時(shí)鐘的上升沿傳送數據;CS/為片選信號;FS為DSP幀同步輸入,表示串行數據幀開(kāi)始輸入或輸出;在擴展采樣時(shí),CSTART/可用來(lái)控制模擬輸入采樣的開(kāi)始:高電平到低電平的跳變開(kāi)始模擬輸入信號的采樣,而低電平到高電平的跳變則置S/H為保持模式并啟動(dòng)轉換,如不用,可將此引腳接正電源;PWDN/為邏輯零時(shí),模擬及基準電路均斷電,使芯片低功耗運行。INT/可設定為主處理器的終端輸出信號,INT/的下降沿表示數據已轉換完畢,請求CPU接收數據。AD轉換器采用12位的逐次逼近的ADC。TLC2558片內還包含了一個(gè)8級12位的FIFO緩沖器,數據轉換完后,放入FIFO中等待主處理器讀取數據,使用者能夠根據需要通過(guò)配置CFR選擇FIFO中數據滿(mǎn)2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)時(shí)或不經(jīng)過(guò)FIFO,由CPU讀取,這樣可以使用戶(hù)根據需要靈活選擇DSP讀取數據的方式。

2 硬件設計
在分析了F206同步串行口和串行A/D轉換器TLC2558外接信號的特點(diǎn)后,可以利用TLC2558能與F206的同步串行口進(jìn)行無(wú)縫連接的特點(diǎn),在F206的同步時(shí)鐘信號的作用下完成A/D轉換數據的傳輸。圖2是F206的同步串行口與TLC2558的硬件接口原理圖。圖中,A/D轉換器的A0~A7為模擬量輸入端,REFP與REFM分別接5V正電源和5V地線(xiàn),使A/D模擬量輸入范圍為0~5V;FS接F206同步串行口的FSX和FSR,使數據輸入和輸出的幀脈沖信號均由DSP產(chǎn)生;FSX和FSR相連使DSP的輸入幀脈沖和輸出幀脈沖不再獨立,保證同步串行口數據的發(fā)送接收操作以相同的幀時(shí)鐘進(jìn)行;SCLK接F206的CLKR和CLKX,這樣,數據輸入和輸出的同步時(shí)鐘信號均來(lái)自DSP;SDI和SDO分別接DSP同步串口信號輸出、輸入腳DX、DR,其中,SDI引腳用來(lái)接收DSP發(fā)送的命令,并寫(xiě)入命令寄存器CMR和配置寄存器CFR,設定A/D轉換器的工作方式和采樣通道;CS/接DSP的XF,此時(shí),XF相當于具有閉鎖功能的輸出腳,正常時(shí)為高電平,當需要對A/D進(jìn)行讀/寫(xiě)信息時(shí),使XF輸出低電平,選中A/D,然后再對A/D進(jìn)行操作;INT/接DSP的BIO/,當TLC2558的FIFO中已轉換的數據達到規定數量時(shí),芯片發(fā)中斷信號(INT/變低)通知DSP讀取數據,這樣,DSP就能以查詢(xún)方式檢測到BIO/為低電平,然后讀取數據。
通過(guò)對TLC2558的配置寄存器CFR進(jìn)行寫(xiě)操作,可以選擇A/D轉換的轉換方式,TLC2558共有四種轉換方式:(1)單次模式,它是唯一不用FIFO的模式,每采樣一次,就必須讀取數據;(2)重復模式,即反復對一固定輸入端進(jìn)行采樣、轉換,存入FIFO中的結果到設定的數量后,讀取這些數據,然后開(kāi)始新一輪的采樣、轉換;(3)掃描模式,它是對選中的通道依次進(jìn)行采樣、轉換,當FIFO放置的數據達到規定值后,掃描方式結束,在啟動(dòng)下一次掃描之前,CPU必須讀取FIFO中的數據;(4)重復掃描模式,即重復模式和掃描模式的綜合,工作方式與掃描模式相似,當FIFO數據中的數據達到規定后,和重復模式一樣去讀取數據。掃描模式由于只要對TLC2558寫(xiě)一次命令就可以完成所有通道的采樣和轉換,所以用時(shí)最少,是轉換效率最高的方式,因此,對于要求采集模擬量較多、速度要求較高的場(chǎng)合,采用掃描模式是理想的選擇。而對于采集模擬量較少或者速度要求不是很高的時(shí)候,可以選擇便于編程和調試的單次模式。
3 TLC2558工作時(shí)序分析
TLC2558是以DSP的同步時(shí)鐘脈沖CLKX和CLKR為基準進(jìn)行數據的發(fā)送和接收的,當采樣頻率為600Hz時(shí),采用單次模式就可以達到要求的速度,以單次模式為例,對某個(gè)通道進(jìn)行A/D轉換時(shí),首先要通過(guò)命令寄存器選擇該通道,由于命令寄存器是一個(gè)4位的寄存器,所以需要4個(gè)同步時(shí)鐘周期(SCLK),采樣一次需要12個(gè)SCLK,轉換一個(gè)模擬量需要14個(gè)SCLK,因此,完成一次轉換共需要30個(gè)SCLK。當DSP采用202MHz晶振作為時(shí)鐘源時(shí),同步串行口的時(shí)鐘周期是主時(shí)鐘周斯的兩倍,即100ns。所以,采用單次模式時(shí)完成一次采樣/轉換總共需要3us。圖3是單次模式下A/D轉換的時(shí)序,由圖可見(jiàn),在同步時(shí)鐘和幀脈沖的作用下,A/D轉換器通過(guò)SDI和SDO接收和發(fā)送數據。

4 編程時(shí)應注意的問(wèn)題
由于TLC2558在上電或從低功耗方式重新啟動(dòng)后第一次轉換的數據是無(wú)效數據,所以,造成了此后每次轉換完成后從SDO讀出的不是當次轉換的數據,而是前一次的數據,如圖3中的SDO所示。為了在程序執行中,在每個(gè)采樣中斷周期內都能得到正確的數據,可以采用以下措施:當要對通道0~通道n(n≤7)進(jìn)行轉換時(shí),在每個(gè)中斷周期內,依次對通道0~通道n采樣和轉換后,再對通道0進(jìn)行一次采樣和轉換。每次轉換完成后,讀出的是前一個(gè)通道的轉換數據,因此,對通道1~n采樣完成后,讀出的是通道0~n-1的數據,而當最后對通道0的采樣完成后,讀出的是通道n的數據。通過(guò)這種方式,使DSP能在每個(gè)采樣周期內都能正確讀出各通道A/D轉換的數據。
5 結束語(yǔ)
本文簡(jiǎn)單介紹了串行A/D轉換器TLC2558的工作原理及高速DSP進(jìn)行接口的設計。DSP通過(guò)其同步串行口接收A/D轉換的數據,解決了以往DSP不能與并行接口A(yíng)/D轉換器很好連接的問(wèn)題。同時(shí),就設計A/D轉換程序的過(guò)程中要注意的問(wèn)題作了說(shuō)明。
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