基于DSP與串行A/D組成的高速并行數據采集系統方案

TMS320VC5402(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C5402)是德州儀器公司1999年推出的定點(diǎn)數字信號處理器(DSP)。與TMS320C54x系列的其他芯片相比，C5402以其獨有的高性能、低功耗和低價(jià)格受到了人們的廣泛青睞。C5402增強外設有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器、6通道直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)(DMA)控制器、增強型8位并行主機接口(HPI)等。兩個(gè)可編程的多通道緩沖串口(McBSP)能夠全雙工、快速地與其他同步串口進(jìn)行數據交換，硬件連接簡(jiǎn)單，串口的工作模式和傳送數據的格式可通過(guò)編程實(shí)現。

因為C5402內部沒(méi)有集成A/D，因此在數據采集時(shí)需要使用A/D轉換芯片，A/D芯片與C5402的接口設計成為一個(gè)重要的問(wèn)題。A/D轉換芯片一般有串行A/D和并行A/D。為了充分利用C5402所提供的多通道緩沖串口資源，簡(jiǎn)化系統設計，本文系統使用了TI公司的高速串行A/D來(lái)同時(shí)完成兩路數據采集，大大提高了串口工作效率。

串行A/D芯片TLV1572

TLV1572是高速的十位串行A/D轉換芯片，可以通過(guò)3或4個(gè)串行口線(xiàn)直接與DSP或其他數字微處理器串口相連，不需要外加邏輯，但是轉換速度受SCLK供給時(shí)鐘的限制。TLV1572與DSP的多通道緩沖串口相連是通過(guò)CS、SCLK、DO和FS四條線(xiàn)完成的，此時(shí)DSP的CLKR產(chǎn)生移位脈沖，FSR產(chǎn)生幀同步信號，并分別提供給TLV1572。當T-LV1572與其他串口微處理器相連接時(shí)FS必須提供高電平，通過(guò)CS、SCLK、DO三條線(xiàn)來(lái)完成數據傳輸。當CS為高時(shí)，A/D芯片各管腳處于三態(tài)狀態(tài)。在CS由高變低時(shí)，TLV1572檢測FS引腳的狀態(tài)來(lái)確定工作模式，若FS為低則為DSP模式，若FS為高則為其他微處理器模式。

圖一 TL1572在DSP模式下的轉換時(shí)序圖

圖二 TL1572在微處理器模式下的轉換時(shí)序圖

當TLV1572工作在DSP模式時(shí)，必須保證在CS變低時(shí)，FS為低電平，并且要鎖存一定時(shí)間。CS為低時(shí)，DO跳出三態(tài)狀態(tài)，但是直到FS為高時(shí)芯片才脫離休眠狀態(tài)。TLV1572在每個(gè)時(shí)鐘SCLK的下降沿檢測FS的狀態(tài)，一旦檢測到FS為高，TLV1572開(kāi)始采樣。在FS的下降沿，A/D芯片通過(guò)移位時(shí)鐘將數據移到DO上。在6個(gè)前導0傳送之后，DSP可以在時(shí)鐘的下降沿得到A/D轉換的數據，如圖1所示。在最低位移出之后，A/D芯片自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到FS下一次有效。如果FS在16位傳輸完成后立即有效，則A/D開(kāi)始新的數據轉換，此時(shí)A/D為連續轉換。若FS在TLV1572轉換數據的過(guò)程中變高，則A/D芯片被復位，開(kāi)始新的數據轉換周期。因此可以通過(guò)設置FS，改變數據傳輸的位數。

當TLV1572工作在非DSP模式下時(shí)，FS引腳必須接高電平。在每次轉換的過(guò)程中都必須提供16個(gè)時(shí)鐘信號，若微處理器無(wú)法一次接收16位數據，可以分成8位兩次接收，兩次接收的時(shí)間間隔不能大于100μs，此時(shí)CS必須一直處于有效狀態(tài)。在DSP模式下轉換的開(kāi)始是由FS信號有效來(lái)決定的，而在微處理器模式下，數據轉換CS有效后的第一個(gè)時(shí)鐘信號上升沿開(kāi)始的，如圖2所示。在微處理器模式下，也可以通過(guò)設置CS來(lái)改變傳送的位數。

C5402的多通道緩沖串口

C5402提供兩個(gè)高速、全雙工、多通道緩沖串行口McBSP0、McBSP1，用數據線(xiàn)D(R/X)、幀同步線(xiàn)FS(R/X)和移位時(shí)鐘線(xiàn)CLK(R/X)實(shí)現發(fā)送數據和接收數據。McBSP通過(guò)6個(gè)引腳(DX、DR、CLKX、CLKR、FSX和FSR)與外設接口。

(1)CLKX(發(fā)送時(shí)鐘輸入或輸出)

芯片內部發(fā)送以為寄存器(XSR)通過(guò)該時(shí)鐘信號將數據發(fā)送到DX引腳。該串口可以通過(guò)PCR寄存器的CLKXM位配置成使用內部時(shí)鐘或者使用外部時(shí)鐘。

(2)FSX(發(fā)送幀同步輸入或輸出)

FSX是發(fā)送開(kāi)始的標志，串口可以通過(guò)PCR寄存器的FXM位配置成輸入或輸出。

(3)DX(串行數據發(fā)送)

串口數據發(fā)送是通過(guò)該口進(jìn)行的。

(4)CLKR(接收時(shí)鐘)

CLKR用來(lái)接收外部時(shí)鐘信號，該時(shí)鐘信號將DR數據移入接收移位寄存器(RSR)?？梢酝ㄟ^(guò)PCR寄存器的CLKRM位配置成使用內部時(shí)鐘或者使用外部時(shí)鐘。

(5)FSR(接收幀同步輸入)

FSR接收幀同步脈沖信號，標志數據接收開(kāi)始?？梢酝ㄟ^(guò)PCR寄存器的FRM位配置成輸入,也可以配置成輸出。

(6)DR(串行數據接收)

串口數據接收是通過(guò)該口進(jìn)行的。接收過(guò)程中，數據首先通過(guò)移位時(shí)鐘CLKR的作用下移入RSR(接收移位寄存器)，然后，RSR中的數據再拷貝到DDR(數據接收寄存器)，拷貝完成時(shí)，產(chǎn)生RINT中斷通知CPU來(lái)響應或REVTA中斷通知DMA響應，同時(shí)設置RRDY中斷標志位，也可以用查詢(xún)方式來(lái)完成，從數據寄存器中讀出數據。CLKX、CLKR、FSX、FSR即可以由內部采樣率發(fā)生器產(chǎn)生，也可以由外部設備驅動(dòng)。McBSP分別在相應時(shí)鐘的上升沿和下降沿進(jìn)行數據檢測。每個(gè)McBSP最多可支持128通道的發(fā)送和接收，串行字長(cháng)可選，包括8、12、16、20、24和32位，還支持μ率和A率數據壓縮擴展。