基于DSP的高速AD采集系統設計與實(shí)現

摘要：在某綜合控制計算機系統中為了實(shí)現對多路AD信號實(shí)時(shí)高精度采集，采用了以TMS320C6713B為核心，與AD7656芯片相組合的高精度、實(shí)時(shí)A/D數據采集砹計實(shí)現方案。重點(diǎn)分析硬件接口電路的設計、PCB設計中應注意的問(wèn)題和軟件設計實(shí)現流程。通過(guò)系統聯(lián)試等多方驗證，該設計方案實(shí)時(shí)性強，精度高，滿(mǎn)足某綜合控制計算機系統的性能指標要求。

關(guān)鍵詞：TMS320C6713B;AD7656;接口電路

0 引言

為實(shí)現對某綜合控制計算機對整個(gè)綜合控制系統工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監控以及故障檢測，在設計中考慮到綜合控制系統對監測信號精度和實(shí)時(shí)性要求較高，模擬量采集模塊設計中采用了AD7656作為模/數轉換芯片，該芯片支持6路通道，可同步進(jìn)行模數轉換，A/D轉換輸出可達到16位。數據處理和控制采用TI公司的TMS320C6000系列的高速32位浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6713B，該芯片通過(guò)EMIF總線(xiàn)接口實(shí)現對AD7656訪(fǎng)問(wèn)。

1 芯片介紹

1.1 TMS320C6713B主要特點(diǎn)

TMS320C6713是美國德州儀器公司(TI)推出的一款浮點(diǎn)32位DSP芯片，基于高性能、先進(jìn)的VelociTI超長(cháng)指令字體系結構，該芯片的內部結構包括如下特點(diǎn)：

(1)處理速度快，工作主頻最高可達到200MHz，峰值運算能力為1800MIPS/1350MFLOPS450MMACS;

(2)具有8個(gè)功能單元的高級VLIW體系結構CPU，集成2個(gè)乘法器和6個(gè)ALU，指令打包減少代碼數量;

(3)集成了32×32比特的乘法器，其結果可為32bit;

(4)片內存儲器采用兩級高速緩存結構，包括4KB的第一級高速程序緩存器(L1P)、4KB第一級高速數據緩存(L1D)，第二級共256KB內存儲容量(64KB的L2統一緩存/映射RAM，192KB的附加L2RAM);

(5)32位外部存儲器接口(EMIF總線(xiàn)接口)，無(wú)縫接口到SRAM、EPROM、FLASH、SBSRAM和SDRAM。

1.2 AD7656模數轉換器

1.2.1 AD7656特點(diǎn)

AD7656是美國模擬器件公司(ADI)公司推出的一款采用iCMOS工藝制造的高集成度、6通道16位SAR型ADC，該器件具有4LSB(INL)，每通道達250kSPS的采樣速率，內置一個(gè)2.5V內部基準電壓源和基準緩沖器。該芯片功耗僅為160mW。AD7656特點(diǎn)如下：1)供電電源電壓：5V，±15V;2)可通過(guò)配置選擇模擬量輸入電壓范圍-10V～10V或-5V～5V;3)片內集成2.5V基準電壓源和基準緩沖器;4)通道可同步采樣，采樣速率可達250kSPS;5)支持并行和高速串行接口訪(fǎng)問(wèn)。

1.2.2 AD7656的原理及結構

AD7656的內部結構見(jiàn)圖1所示，AD7656內置時(shí)鐘電路，外部模擬量信號從VI引腳輸入，經(jīng)過(guò)一個(gè)高帶寬的線(xiàn)性跟隨器(T/H)單元進(jìn)行采樣，保證滿(mǎn)量程的輸入正弦波時(shí)轉換精度達到16位。AD7656處理的最高頻率為8MHz;經(jīng)過(guò)AD7656中心單元16位SAR轉換，將模擬信號轉換為數字信號，通過(guò)控制邏輯單元，將數字信號輸出驅動(dòng)。

AD7656的模擬信號輸入采取了單端輸入方式，輸入信號的電平范圍為兩種±10V和±5V，可通過(guò)兩種方式選擇輸入信號電平范圍，硬件上通過(guò)RANGE管腳設置，軟件上通過(guò)配置控制寄存器的RNGX位來(lái)選擇。

AD7656的轉換后輸出的數據格式見(jiàn)圖2所示，分辨率與輸入信號的范圍設置有關(guān)，具體分辨率值見(jiàn)表1所示。

2 模擬轉換電路設計

2.1 AD7656前端調理電路

由于在綜合控制計算機采集的信號源與AD7656要求的輸入信號不匹配，所以對信號源的信號進(jìn)行前端調理電路調整，在A(yíng)D7656前端調理電路設計主要考慮了如下因素：

(1)阻抗匹配。由于輸入信號的信號源不一定是低阻抗，AD7656的輸入端很可能會(huì )對信號源信號分壓，從而影響采集轉換信號的精度。在A(yíng)D7656前級輸入采用運算放大緩沖器解決該問(wèn)題，因為運算放大緩沖器具有很高的輸入阻抗，因此不會(huì )對信號源分壓，同時(shí)它的低輸出阻抗適合驅動(dòng)AD7656的輸入端;

(2)減小容性負載的影響。AD7656輸入端具有容性負載特性，通常需要一個(gè)電阻和電容組成外部補償電路，采用該電路給信號源增加了容性負載。

AD7656前端調理電路設計見(jiàn)圖3所示。AD7656前端調理電路采用的運算放大緩沖器為ADI公司的OP177FS，其具有低輸入失調電壓(25μV)，失調電壓時(shí)間漂移最大0.1 μV/℃，開(kāi)環(huán)增益最小12V/μV，電源電流2.0mA。

2.2 AD7656與TMS320C6713B接口電路設計

AD7656與TMS320C6713B接口電路采取并行接口設計。在電路設計時(shí)將AD7656的“SER/PAR”管腳設置為并行接口方式，“W/B”管腳設置為字方式，“H/S SEL”管腳設置為硬件啟動(dòng)轉換方式。TMS320C6713B通過(guò)外部存儲器接口(EMIF)總線(xiàn)實(shí)現對AD7656訪(fǎng)問(wèn)，啟動(dòng)對AD7656轉換，讀取轉換結果數據，接口電路結構圖見(jiàn)圖4所示。

TMS320C6713B通過(guò)CPLD實(shí)現對AD7656控制邏輯譯碼，來(lái)滿(mǎn)足AD7656的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)信號的邏輯要求，AD7656訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序圖見(jiàn)圖5所示。

AD7656包括6通道ADC轉換，可實(shí)現6通道ADC同步轉換，減少了多路ADC轉換采樣時(shí)間。在CPLD邏輯設計中采用同時(shí)控制“CONVSTA”

“CONVSTB”“CONVSTC”管腳輸出有效完成6通道ADC通道同步轉換。

根據圖5所示AD76565通過(guò)“CONVSTA，B，C”信號的上升沿啟動(dòng)ADC轉換，ADC轉換過(guò)程中，“BUSY”信號為邏輯“高”標識，ADC正在轉換過(guò)程中，ADC轉換時(shí)鐘由內部時(shí)鐘產(chǎn)生，從“CONVSTA，B，C”信號的上升沿啟動(dòng)轉換3 μs后ADC轉換結束，“BUSY”信號為邏輯“低”表示ADC轉換結束。TMS320C6713B通過(guò)EMIF總線(xiàn)接口完成對轉換結果的讀取。對AD7656芯片轉換結果讀取，通過(guò)“CS”片選信號和“RD”讀信號控制，6個(gè)通道轉換結束后，TMS320C6713B控制“CS”為有效和6個(gè)“RD”讀有效信號，完成對模擬量輸入“V1”信號、“V2”信號、“V3”信號、“V4”信號、“V5”信號、“V6”信號轉換結果的讀取。

2.3 AD7656設計中應注意問(wèn)題

2.3.1 電壓基準電路設計

由于A(yíng)D7656轉換的精度與參考電壓基準電壓的精度有很大關(guān)系，參考電壓基準輸出電壓值用來(lái)確定數據轉換系統的滿(mǎn)量程輸入范圍，同時(shí)參考電壓基準電壓的任何誤差都會(huì )嚴重影響ADC的線(xiàn)性和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

由于A(yíng)D7656內部集成的電壓基準參數精度低，一般在對于分辨率大于12位的ADC應用中采用高精密外部電壓基準，本設計采用高精密外部電壓基準AD780BR作為AD7656轉換的電壓基準。通過(guò)表2對兩種電壓基準參數比較，看出外部高精密電壓基準精度高，具有更低的溫度系數、熱遲滯和長(cháng)期漂移。

3 PCB設計

3.1 數模區域分割

在高速AD采集電路的設計中，達到高精度與PCB設計是密不可分的，所以進(jìn)行PCB設計過(guò)程中，按照電路實(shí)現的功能可以簡(jiǎn)單地劃分為數字電路和模擬電路兩部分，將數字區域與模擬區域進(jìn)行分割，形成每個(gè)區域的獨立電源和地，這樣可以有效抑制干涉的傳導和RF能量的輻射。

AD7656芯片在管腳定義時(shí)將模擬量和數字量信號按區域定義，有利于PCB設計中數字量和模擬量區域分割，布線(xiàn)時(shí)注意模擬信號區域布模擬信號線(xiàn)，數字信號區域布數字信號線(xiàn)，不要將數字信號線(xiàn)和模擬信號線(xiàn)并行布線(xiàn)。

在本系統中模擬地和數字地采用一個(gè)電勢參考點(diǎn)，所以模擬地和數字地采用單點(diǎn)共地，共地點(diǎn)盡可能地靠近AD7656。

3.2 電源去耦設計

由于A(yíng)D7656芯片存在多個(gè)電源管腳，在每個(gè)電源管腳需要連接去耦電容。去耦電容的設計中采用并聯(lián)100nF和10 μF電容。電容選擇時(shí)可選用具有小等效串聯(lián)電感(ESL)瓷介質(zhì)電容。AD7656的去耦電容設計見(jiàn)圖6所示。

4 AD采集軟件設計實(shí)現

TI公司提供良好的C/C++編譯器，在TMS320C6713B軟件開(kāi)放過(guò)程中支持C/C++語(yǔ)言設計。并且提供的良好的庫函數(DSPLIB)，支持TMS3 20C6713B的數學(xué)運算和矢量運行。

采集軟件設計采用了模塊化設計，主要包括初始化函數、AD7656轉換啟動(dòng)函數和AD7656轉換結果讀取函數。

初始化函數實(shí)現對TMS320C6713B系統時(shí)鐘、EMIF總線(xiàn)時(shí)鐘配置，EMIF總線(xiàn)接口訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序的配置。通過(guò)該初始化函數配置，配置CS(片選)RD讀信號相對時(shí)序關(guān)系，滿(mǎn)足AD7656訪(fǎng)問(wèn)時(shí)序關(guān)系。

AD7656轉換啟動(dòng)函數實(shí)現啟動(dòng)AD7656的AD轉換，該函數控制AD7656轉換啟動(dòng)信號CONVSTA，B，C為有效狀態(tài)，同步6路AD轉換。

AD7656轉換結束標識查詢(xún)函數實(shí)現對AD7656轉換狀態(tài)標識信號BUSY查詢(xún)，判斷AD7656內部ADC轉換是否結束。

AD7656轉換結果讀取函數實(shí)現檔查詢(xún)到AD轉換結束標識后，讀取AD轉換結果。該函數通過(guò)連續的6次讀操作，讀取6路AD同步轉換結果。 AD采集軟件流程見(jiàn)圖7所示。

5 結束語(yǔ)

針對要求高精度、多路信號監測和實(shí)時(shí)采集，本設計選用了AD7656和TMS320C6713B相結合作為某控制系統工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監控以及故障檢測系統方案，本設計接口電路設計簡(jiǎn)單，采集精度高、速度快，可同時(shí)完成對多路信號的采集。系統聯(lián)試證明，本系統完全滿(mǎn)足某控制系統對工作狀態(tài)監控以及故障檢測信號的采集精度和實(shí)時(shí)性的要求。