兩片ADS7863與TMS320F28335的接口設(shè)計(jì)

高 瑛，謝戰(zhàn)洪，王大鵬

(鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

工程技術(shù)人員采用DSP芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)很多信號(hào)進(jìn)行采集，若僅使用DSP芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集，顯然不夠。因此，人們轉(zhuǎn)向使用片外A/D轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)將闡述TI公司的TMS320F28335（以下簡稱F28335）的多通道緩沖串口(McBSP, Multi-channel Buffered Serial Port)與兩片串行A/D轉(zhuǎn)換器ADS7863的接口設(shè)計(jì)。

1 McBSP

[1-7]。TMS320F28335是一款高性能、多功能、高性價(jià)比32位浮點(diǎn)DSP。該器件最高可在150MHz主頻下工作，片上集成豐富的外設(shè)，其中包括兩個(gè)McBSP。McBSP是一種同步串行接口，除具有一般DSP串口功能之外，還可以支持T1/E1,ST-BUS,SPI等不同標(biāo)準(zhǔn)。McBSP包括6個(gè)引腳，分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)(DX, Data Transmit)，串行數(shù)據(jù)接收信號(hào)(DR, Data Receive)，發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)(CLKX, Transmit Clock)，接收時(shí)鐘信號(hào)(CLKR, Receive Clock)，發(fā)送幀同步信號(hào)(FSX, Transmit Frame Synchronization)和接收幀同步信號(hào)(FSR, Receive Frame Synchronization)。McBSP通過這6個(gè)管腳為外部設(shè)備提供了數(shù)據(jù)通道和控制通道。

McBSP通過DX和DR實(shí)現(xiàn)DSP與外部設(shè)備的通信和數(shù)據(jù)交換。其中，DX完成數(shù)據(jù)發(fā)送，DR完成數(shù)據(jù)接收?？刂菩畔⑼ㄟ^CLKX、CLKR、FSX和FSR以時(shí)鐘和幀同步的形式進(jìn)行通信。由于 McBSP內(nèi)有一個(gè)可編程的采樣和幀同步時(shí)鐘發(fā)生器，所以這些時(shí)鐘和幀同步信號(hào)既可以由內(nèi)部產(chǎn)生，也可以由外部輸入。

McBSP發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如下：首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器(DXR[1,2], data transmit register)，如果發(fā)送移位寄存器(XSR[1,2], transmit shift register)中沒有數(shù)據(jù)，則DXR[1,2]中的值先復(fù)制到XSR[1,2]，再由XSR[1,2]將數(shù)據(jù)移到 DX上發(fā)送；如果 XSR[1,2]不為空，則等待將 XSR[1,2]中的數(shù)據(jù)全部移出到DX腳發(fā)送后才將DXR[1,2]中的值復(fù)制到XSR[1,2]，再由DX腳將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

McBSP接收數(shù)據(jù)的過程如下：DR腳上接收的數(shù)據(jù)首先移入接收移位寄存器(RSR[1,2], receive shift register)，一旦收到一個(gè)字（可以是8、12、16、24或32位），檢查接收緩沖寄存器(RBR[1,2], receive buffer register)是否為空，如果為空，則將 RSR[1,2]中的數(shù)據(jù)復(fù)制到RBR[1,2]，接著，數(shù)據(jù)被復(fù)制到數(shù)據(jù)接收寄存器(DRR[1,2], data receive register)，CPU通過讀取DRR[1,2]中的數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)接收。需要注意的是，DRR2、RBR2、RSR2、DXR2和XSR2寄存器只有當(dāng)接收或發(fā)送的字長超過16位（20位、24位和32位）時(shí)，才會(huì)用上。

2 ADS7863

2.1 ADS7863芯片的特點(diǎn)

ADS7863是一個(gè)雙路、2MSPS、12位、3+3或2+2通道、基于連續(xù)逼近寄存器原理的同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS7863具有如下特點(diǎn)：①四路全差分或六路偽差分輸入；②信噪比：71 dB，總諧波畸變率：-81 dB；③可編程的和緩沖的內(nèi)部2.5 V參考電壓；④靈活的省電功能；⑤可變的電源范圍：2.7～5.5 V；⑥低功率操作：5 V時(shí)45 mW；⑦工作溫度范圍：-40～+125℃；⑧引腳與ADS7861、ADS8361等芯片兼容。

2.2 ADS7863芯片的工作原理

（1）ADS7863的主要引腳定義

ADS7863的主要引腳定義如下：①CHxy+：同相模擬輸入通道 xy+（x代表A或B，y 代表0 或 1，eg：A1+）；②CHxy-：反相模擬輸入通道xy-；③M1：模式引腳1，選擇SDOx數(shù)字輸出，x代表A或B；④M0：模擬引腳0，選擇模擬輸入通道；⑤SDI：串行數(shù)據(jù)輸入；⑥CONVST：轉(zhuǎn)換開始；⑦RD：讀數(shù)據(jù)；⑧CS：芯片選擇；⑨CLOCK：外部時(shí)鐘輸入；⑩BUSY：ADC忙碌指示符；SDOB：轉(zhuǎn)換器B的串行數(shù)據(jù)輸出；SDOA：轉(zhuǎn)換器A的串行數(shù)據(jù)輸出。

（2）ADS7863的工作原理

ADS7863的工作模式根據(jù)M0、M1的不同配置分為四種，如表1所示。以下主要介紹ADS7863的M0=0、M1=1模式時(shí)的工作原理。當(dāng)M0=0、M1=1 時(shí)，ADS7863工作在人為通道控制模式，數(shù)據(jù)只在SDOA腳輸出，SDOB腳置為3態(tài)。SDI選擇不同的模擬輸入通道。當(dāng)CONVST置高時(shí)，一個(gè)轉(zhuǎn)換被觸發(fā)。ADS7863需要32個(gè)CLOCK周期從兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCs輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，需要1.0 us完成一個(gè)完整的CONVERSION/READ周期。如果CONVST信號(hào)每0.5 us被觸發(fā)一次（RD信號(hào)的需要），那么每第二個(gè)脈沖被忽略。在CONVST的上升沿，不管CLOCK的狀態(tài)，ADC從采樣模式進(jìn)入保持模式。經(jīng)過一些延遲，BUSY信號(hào)變成高電平,并且在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持高電平。在第二個(gè)時(shí)鐘的下降沿，根據(jù)SDI寄存器的C[1∶0]兩位的狀態(tài)，ADS7863選擇使用下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期的模擬輸入通道。CS必須置為低電平以使能SDOA輸出。在每個(gè)轉(zhuǎn)換的每32個(gè)CLOCK周期的下降沿，數(shù)據(jù)是有效的。輸出數(shù)據(jù)由一個(gè)‘0’，緊接一個(gè) ADC指示符（CHAx為‘0’，CHBx為‘1’），12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，和一個(gè)‘00’組成。

表1 M0/M1真值表

3 McBSP與ADS7863接口設(shè)計(jì)

3.1 硬件接口設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[8]。圖1是F28335 McBSP與兩片ADS7863無縫連接的示意圖。該硬件接口設(shè)計(jì)中兩片 ADS7863與同樣的McBSP引腳連接?？梢钥闯?，McBSP與兩片ADS7863之間的連接非常簡單，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)移，充分體現(xiàn)了同步串口連接的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 McBSP與兩片ADS7863無縫連接的示意圖

由F28335 DSP的GPIO10向ADS7863-1提供片選信號(hào)、GPIO11向 ADS7863-2提供片選信號(hào)。McBSP的數(shù)據(jù)發(fā)送DX腳接兩片ADS7863的SDI腳，向兩片ADS7863發(fā)出控制信號(hào)。兩片ADS7863的SDOA腳接McBSP的數(shù)據(jù)接收DR腳，向F28335傳送數(shù)據(jù)信號(hào)。由McBSP內(nèi)含的可編程采樣率發(fā)生器生成時(shí)鐘信號(hào) CLKG和幀同步信號(hào) FSG。由CLKG驅(qū)動(dòng)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)CLKX，CLKX驅(qū)動(dòng)接收時(shí)鐘信號(hào)CLKR和兩片ADS7863的時(shí)鐘信號(hào)CLOCK。由FSG驅(qū)動(dòng)發(fā)送幀同步信號(hào)FSX，F(xiàn)SX驅(qū)動(dòng)接收幀同步信號(hào)FSR和兩片ADS7863的開始轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVST。CONVST初始化一個(gè)轉(zhuǎn)換進(jìn)程，并啟動(dòng)發(fā)送前一周期轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。為了簡化，只連接了兩片ADS7863的CHA0+、CHB0+、CHA1+、CHB1+通道，可用輸出數(shù)據(jù)的第二位（ADC指示符）分辨所采樣的信號(hào)來自哪個(gè)通道，并用GPIO10、GPIO11判斷所采樣的信號(hào)來自哪個(gè)芯片。

3.2 軟件接口設(shè)計(jì)

（1）MCBSP口初始化

參考文獻(xiàn)[9-10]。整個(gè)初始化過程包括三部分：接收部分初始化、發(fā)送部分初始化和采樣率發(fā)生器初始化。

①DSP初始化后，采樣率發(fā)生器的初始化位GRST置0；在其它情況下，也可通過向串口控制寄存器2(SPCR2, Serial Port Control 2 Register)寄存器中的GRST位置0，使采樣率發(fā)生器處于初始化狀態(tài)。在此狀態(tài)下，時(shí)鐘 CLKG時(shí)鐘為CPU時(shí)鐘的1/2，幀同步信號(hào)FSG為邏輯0；設(shè)置接收初始化位RRST、發(fā)送初始化位XRST和幀同步發(fā)生器初始化位FRST為0；

②對(duì)采樣率發(fā)生器SRGR[1,2]進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)其它控制寄存器進(jìn)行設(shè)置；

③等待兩個(gè)CPU時(shí)鐘以確保內(nèi)部正確同步；

④將采樣率發(fā)生器初始化位置 1，使采樣率發(fā)生器進(jìn)行工作；

⑤等待兩個(gè)SRG時(shí)鐘；

⑥將接收和發(fā)送初始化位置1；

⑦在下一個(gè)CPU時(shí)鐘的上升沿，CLKG時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)1，并以(CPU時(shí)鐘/(1+CLKGDV))的頻率運(yùn)行；

⑧在數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR[1,2]被載入數(shù)據(jù)后，將幀同步初始化位置1以發(fā)出正確的幀同步脈沖信號(hào)。現(xiàn)是McBSP初始化程序片段：

（2）McBSP串口通信主要程序

4 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)ADS7863的輸入模擬量為以下時(shí)：

A/D轉(zhuǎn)換器SDOA引腳輸出如圖2所示。圖中第二條曲線為ADS7863的轉(zhuǎn)換開始信號(hào)CONVST，第一條曲線為兩片ADS7863的轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果，輸出順序依次為：

試驗(yàn)中，通過設(shè)置McBSP的采樣率發(fā)生器時(shí)鐘分頻系數(shù)CLKGDV，使得McBSP的采樣率發(fā)生器時(shí)鐘CLKG頻率為 323.2 kHz，從而使得兩片 ADS7863的外部輸入時(shí)鐘CLOCK頻率為323.2 kHz、轉(zhuǎn)換開始信號(hào)CONVST頻率為20.2 kHz。

圖2 SDOA輸出

5 結(jié)語

與其它論文只用一個(gè)McBSP串口連接一片A/D芯片不同，通過一個(gè)McBSP串口與兩片ADS7863之間的軟硬件接口設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了一個(gè) McBSP串口可以擴(kuò)展更多的A/D芯片，從而可以采集更多的信號(hào)。對(duì)其它A/D系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很大的借鑒意義。

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