ADl871型模/數轉換器在數據采集系統中的應用

　　1 引言

　　科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對數據采集系統的采樣速率、分辨率、精度、接口及抗干擾能力等提出越來(lái)越高的要求。

　　ADl871是目前市場(chǎng)上動(dòng)態(tài)范圍、采樣速率和采樣精度等指標都很突出數據的一款24位 ADC，它的推出為設計高速、高精度數據采集系統提供了一種較好的解決方案。由于其輸出為串行輸出，當其和MCU直接相連時(shí)，會(huì )使采樣系統的采樣速率大大降低。

　　如果MCU的I/O端口的實(shí)際最高速率是1MHz(單片機的速率通常是這個(gè)數量級)，那么I/O端13傳輸1Bit的最短時(shí)間間隔為1μs，當ADl871輸出2路各24Bit時(shí)，需要實(shí)際串行輸出64Bit，故采樣速率下降為1MHz/64=15.625kHz，這個(gè)速率遠遠低于ADl871的96kHz，另外，單片機把64位串行數據再處理為2個(gè)24位的并行數據時(shí)，速度會(huì )進(jìn)一步降低。

　　為此，筆者采用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)設計了ADl871和MCU之間的接口，由FPGA完成對ADl871的控制，并將其輸出的串行數據在FPGA的內部變?yōu)椴⑿袛祿?，并行后的數據?位或12位為一組發(fā)給MCU。由于FPGA的實(shí)際傳輸速率可以滿(mǎn)足和ADl871的傳輸速率要求，故上述“瓶頸”得以解決。

　　2 接口設計

　　2.1 時(shí)鐘設計

　　圖1示出A/D轉換器的輸入時(shí)鐘設計，MD轉換器工作在從模式下時(shí)，需要外部提供RLCLK和BCLK。在主時(shí)鐘MCLK的輸入下，通過(guò)對MCLK 4分頻得到BCLK的信號，用來(lái)作為位數據提取的信號。RLCLK是通過(guò)對BCLK的32分頻得到的，用來(lái)區分左右通道的數據，同時(shí)輸出EN信號作為后續處理的同步信號。

　　2.2 接口設計

　　在圖2中，輸入為MCLK(主時(shí)鐘)、RESET(啟動(dòng)信號)和SHIFTIN(A/D輸出數據)，輸出為RL(左右幀信號)、BCLK(A/D數據位時(shí)鐘)，TXT(并行數據讀取控制)和SHIFTOUT(并行數據輸出)。通過(guò)時(shí)鐘控制輸出BCLK和 RLCLK到AD1871，AD1871傳出數據SHIFTIN進(jìn)入SHIFT模塊，SHIFT模塊在正確的位時(shí)鐘下讀取SHIFTIN的輸入數據，并進(jìn)行串，并轉換，之后輸出8位或12位的數據。同時(shí)輸出TXT并行數據讀取控制。

　　2.3 SHIFT模塊程序

　　Emity shifill is

　　PORT(BCLK：IN STD_LOGIC;一輸入的BCLK位信號

　　CR ：IN STD_LOGIC;--輸入的使能信號

　　SHIFTIN：IN STD_LOGIC：--AD輸入的串行信號

　　RLEN：IN STD_LOGIC;--輸入的RLCLK使能，幀對準信號

　　TXTS：OUT STD_LOGIC;--8位的組信號輸出控制信號

　　sddddd：OUT STD_LOGIC_VECTOR (7DOWNTO 0); --8位并行信號輸出);

　　end shift11：

　　architecture Behavioral of shift11 is

　　SIGNAL TEMPDATE：STD_LOGIC_VEC—TOR(8 DOWNTO 0);

　　SIGNAL TEMPO11：STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO 0)：=“00000000”;

　　SIGNAL Q：INTEGER RANGE 0 T0 7;

　　一并行信號計數8位產(chǎn)生一個(gè)脈沖;

　　SIGNAL Q4：INTEGER RANGE 0 TO 3;

　　--有用信號選擇，選擇32位中的24位;

　　筆者用MaxPlus II對以上設計進(jìn)行仿真后得到圖3所示的時(shí)序圖，完全滿(mǎn)足設計要求，從圖3可以看出串行輸入的數據(shiflin)變成并行的數據(shiftout) 輸出，在此過(guò)程中數據延時(shí)8個(gè)周期，每個(gè)txts的上升沿提取數據能保證數據的正確性。因為從數據的變動(dòng)到txts的上升沿有400ns，大于FPGA的數據建立時(shí)間(25ns~50ns)，可以保證提取數據的正確性。

　　3 小型采樣系統

　　圖4示出采用ADl871構成的采樣系統結構。整個(gè)系統在1個(gè)FPGA上實(shí)現，分為3部分：并轉換模塊;ADC控制和配置;UART通信。

　　具體的功能是實(shí)現ADC的初始化、信號的采集存儲及UART通信。

　　工作原理是由ADC控制模塊來(lái)接收PC的數據，轉發(fā)控制數據到ADC，對ADC的工作狀態(tài)進(jìn)行配置。完成后ADC采樣并儲存在FIFO中，通過(guò)控制向單片機傳送數據。

　　從仿真結果看，整個(gè)系統的工作正常，說(shuō)明接口設計的正確性和可行性。

　　4 結束語(yǔ)

　　由ADl871構成的數據采集系統具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比等特點(diǎn)，特別適用于高精度數據采集系統。∑-△型ADC具有抗干擾能力強、量化噪聲小、分辨率高、線(xiàn)性度好、轉換速度較高、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越多地受到電子產(chǎn)品用戶(hù)及設計人員的重視。解決這類(lèi)ADC的接口問(wèn)題在實(shí)際設計中具有重大意義。筆者設計的接口使單片機從接收數據的困境中解脫出來(lái)，大大提高了單片機的采樣速率，原來(lái)處理一幀數據需要讀64次，現在只需要6次，在12位輸出的情況下只需要4次，也就是說(shuō)采用FPGA后單片機的I/O口可以達到1MHz/6=166.66kHz 的采樣速率，大大超過(guò)了96kHz的采樣速率，使單片機有時(shí)間對數據進(jìn)行一些處理。