一種基于A(yíng)RM的多路同步的A/D和D/A設計
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介紹一種基于ARM的高精度多路同步的數據采集與輸出控制系統的設計方法。設計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，闡明其硬件設計與軟件設計方法。系統可實(shí)現多路且同步、高速高精度的數據采集與輸出控制功能。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201609/303653.htmARM處理器是一種32位精簡(jiǎn)指令集RISC微處理器，片內集成了豐富的硬件資源，廣泛的應用于許多嵌入式系統中。S3C2440是一款基于A(yíng)RM920T內核的32位RISC嵌入式處理器，運行主頻可達400MHz。本文闡述選用S3C2440處理器設計的一種同步、高速、高精度、多通道的數據采集與信號輸出系統的設計方法。
1.1 ADS8556的功能
系統選用TI公司生產(chǎn)的16位6路同步逐次逼近型模數轉換芯片ADS8556。輸入模擬信號電壓范圍為-12V～+12V。常規應用下功耗為 251.7mW，最大功耗為298.5mW，信噪比可達91.5dB。ADS8556芯片內部包含6個(gè)獨立的采樣保持模塊和對應的6個(gè)獨立的模數轉換模塊，可實(shí)現對6路信號的同時(shí)同步的模數轉換。ADS8556工作模式分為硬件模式和軟件模式，本設計采用硬件模式。在硬件模式下ADS8556的功能設置 (如每對通道的轉換使能、參考電壓選擇等)都是通過(guò)對相關(guān)引腳設置高低電平實(shí)現的。ADS8556支持并行和串行接口方式，本設計采用串行SPI接口與 S3C2440連接。采用串行接口的優(yōu)點(diǎn)是節約S3C2440的引腳資源，S3C2440絕大多數引腳是功能復用的，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)串行數據輸出端口SDO_A、SDO_B、SDO_C，轉換結果通過(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3個(gè)端口都選用工作時(shí)，每個(gè)串行端口上輸出對應2路每路16位共32位的轉換結果，輸出時(shí)間需要32個(gè)時(shí)鐘周期，每路最大采樣率可達450kS/s。當選擇2個(gè)串行端口時(shí)，每個(gè)端口輸出3路共48位轉換結果，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接口電路設計
本設計選用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位轉換結果，輸出時(shí)間需要96個(gè)時(shí)鐘周期，每路最大采樣率可達250kS/s。SPI串口以主從方式工作，S3C2440作為主機，ADS8556作為從機，需要4根或3根線(xiàn)連接，3根用于單向傳輸，4根連接線(xiàn)分別是MOSI(主機輸出/從機輸入)，MISO(主機輸入/從機輸出)，SCLK(時(shí)鐘信號)，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(xiàn)SPIMISO0、SPICLK0和NSS0，未使用SPIMOSI0，這是由于本設計選擇ADS8556工作于硬件模式，S3C2440沒(méi)有給ADS8556輸入數據，其功能的設置(如每對通道的轉換使能、參考電壓選擇等)都是通過(guò)對相關(guān)使能引腳設置高低電平實(shí)現的。若在軟件模式下，這些功能的選擇是由S3C2440通過(guò)SPIMOSI對ADS8556內部相應寄存器進(jìn)行賦值實(shí)現的，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的接口程序設計
S3C2440作為主機，ADS8556作為從機，程序中要對S3C2440的SPI串行端口進(jìn)行初始化設置，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，數據傳輸采用中斷模式。本設計只使用了ADS8556的6路轉換通道中的4個(gè)通道。
圖2 ADS8556工作程序流程圖
2.1 DAC8574的功能
DAC8574是帶有IIC接口的16位4路同步數模轉換芯片。DAC8574帶有一個(gè)IIC串行接口，包括SCL串行時(shí)鐘輸入和SDA串行數據輸入兩個(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為擴展地址選擇，A1、A0、A3、A2共可確定16個(gè)地址，在IIC總線(xiàn)上最多可擴展16個(gè) DAC8574。本設計在IIC總線(xiàn)上只使用一個(gè)DAC8574，則設置地址A1A0A3A2=0000。LDAC為同步輸出電壓更新。
DAC8574有三種工作模式:標準模式、快速模式、高速模式。標準模式時(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。標準模式和快速模式傳輸線(xiàn)協(xié)議基本相同，高速模式不同于標準和快速模式。DAC8574與 S3C2440通過(guò)IIC總線(xiàn)連接時(shí)，DAC8574作為從機，S3C2440作為主機。本設計將DAC8574設置為高速模式。
2.2 DAC8574與S3C2440接口電路設計
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的接口程序設計
DAC8574作為從機，S3C2440作為主機，根據高速模式傳輸協(xié)議編寫(xiě)DAC8574的接口程序。圖4所示為設計的DAC8574接口程序的流程圖。主機先產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)，隨后產(chǎn)生高速主機編碼的串行數據00001XXX。從機設備不需要確認高速主機編碼，但必須能夠識別并改變自身內部設置以支持3.4Mbit/s的高速傳輸。主機產(chǎn)生一個(gè)重復開(kāi)始狀態(tài)，接著(zhù)發(fā)送一個(gè)有效的從機地址字節，本設計的從機地址字節為10011000，包括7位 DAC8574的地址1001100和1位讀寫(xiě)控制位0(主機寫(xiě)入從機)。地址匹配的從機識別地址后產(chǎn)生確認信號。本設計將控制字節設置為 00010000，主機發(fā)送控制字節設置從機運行模式后，從機產(chǎn)生確認信號。隨后，主機發(fā)送數據最高有效位MSB，從機產(chǎn)生確認信號，主機再發(fā)送數據最低有效位LSB，從機產(chǎn)生確認信號并開(kāi)始數據更新，這樣DAC8574就完成了一次數據接收與數模轉換。之后主機可以繼續向從機發(fā)送數據，最后主機產(chǎn)生停止狀態(tài)結束當前的數據傳輸。
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