多路D/A轉(zhuǎn)換信號(hào)發(fā)生裝置設(shè)計(jì)

杜雪 宋耀東 王端 李明

摘 要：在系統(tǒng)調(diào)試、工業(yè)測(cè)試中，常常需要產(chǎn)生多路復(fù)雜的、具有特殊要求的信號(hào)，故設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種多路信號(hào)發(fā)生裝置。該裝置以TI公司的高性能DSP芯片TMS320F2812為核心，以BB公司的DAC7724作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，并利用MAX3485芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與信號(hào)發(fā)生裝置之間的485通信，用戶可通過(guò)上位機(jī)界面控制信號(hào)發(fā)生裝置輸出多路不同波形。詳細(xì)闡述了硬件各模塊接口電路、軟件流程及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)表明，該信號(hào)發(fā)生裝置能夠按照用戶需求輸出多路任意形狀波形。

關(guān)鍵詞：TMS320F2812；DAC7724；數(shù)模轉(zhuǎn)換；MAX3485；信號(hào)發(fā)生；上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TM930 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）28-0026-04

Abstract： In system debugging and industrial testing， it is often necessary to generate multi-channel complex signals with special requirements， so a multi-channel signal generator is designed and implemented. The device takes the high performance DSP chip TMS320F2812 of TI as the core， the DAC7724 of BB company as the digital to analog conversion chip， and the MAX3485 chip to realize the 485 communication between the upper computer and the signal generator. The user can output multiple different waveforms through the upper computer interface control signal generating device. The hardware interface circuit of each module， the software flow chart and the software design of the upper computer are described in detail. The experiments show that the signal generator can output multiple arbitrary shape waveforms according to the needs of users.

Keywords： TMS320F2812； DAC7724； digital to analog conversion； MAX3485； signal generation； upper computer

引言

信號(hào)發(fā)生裝置是一種能提供各種頻率、波形和輸出電平信號(hào)的設(shè)備，在測(cè)量各種電信系統(tǒng)或元器件的特性及其他電參數(shù)時(shí)，用作測(cè)試的信號(hào)源或激勵(lì)源[1]。在系統(tǒng)調(diào)試、工業(yè)測(cè)試中，常常需要產(chǎn)生多路復(fù)雜的、具有特殊要求的信號(hào)，比如多路任意形狀的波形，普通的信號(hào)發(fā)生裝置難以滿足需求，而市場(chǎng)上任意信號(hào)發(fā)生裝置價(jià)格普遍偏高，因此研制一種高性能、低成本的多路信號(hào)發(fā)生裝置具有重要意義[2]。

本文設(shè)計(jì)的多路信號(hào)發(fā)生裝置使用TI公司的DSP芯片TMS320F2812作為主控芯片，BB公司的DAC7724作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，并利用MAX3485芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與信號(hào)發(fā)生裝置之間的485通信，用戶可通過(guò)上位機(jī)界面控制信號(hào)發(fā)生裝置輸出多路不同波形[3]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

綜合考慮信號(hào)發(fā)生裝置的高性能、低成本以及實(shí)用性等因素，該信號(hào)發(fā)生裝置以面向高端控制領(lǐng)域的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心，集成了電源電平轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、RS-485通信模塊等基本功能模塊。信號(hào)發(fā)生裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 主控芯片選型

本文選用美國(guó)德州儀器公司（TI）的TMS320F2812作為主控芯片，它是新一代32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片，擁有工作頻率高達(dá)150MHz的32位DSP內(nèi)核處理器，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，8級(jí)流水線操作。TMS320F2812片內(nèi)有128K*16 FLASH，4K*16 BOOT ROM，多塊SRAM，程序/數(shù)據(jù)尋址空間4M，集成度高，功耗小，運(yùn)算速度快，性價(jià)比高，可以高效可靠地實(shí)現(xiàn)諸如自適應(yīng)控制和狀態(tài)控制等先進(jìn)控制技術(shù)[4]-[6]。

1.2 D/A轉(zhuǎn)換模塊

D/A轉(zhuǎn)換模塊完成數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，本文選用2片4通道DAC7724芯片完成8路模擬量輸出。DAC7724是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，4路獨(dú)立模擬輸出，輸出信號(hào)范圍-10V～+10V，建立時(shí)間10μs，轉(zhuǎn)換時(shí)間110ns。DAC7724具有片選、輸出使能等控制引腳，它內(nèi)部有兩級(jí)鎖存，第一級(jí)是鎖存到緩沖器中，第二級(jí)是將數(shù)據(jù)鎖存到輸出寄存器，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的同時(shí)輸出[7]。數(shù)字量輸入N與輸出模擬量VOUT之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：N為數(shù)字量輸入；VOUT為輸出模擬量；VREFL為低參考電壓；VREFH為高參考電壓。本文2片DAC7724與主控芯片TMS320F2812的接口原理如圖2所示。

圖中的兩片AD587分別輸出DAC7724的參考電壓VREFH（+10V）和VREFL（-10V），其中VREFL與跳針P2連接，如果要輸出雙極性波形，則VREFL連接-10V插針；如果要輸出單極性波形，則VREFL連接GND插針，本文輸出的都是雙極性波形，故連接-10V插針。

1.3 RS-485通信模塊

RS-485接口電路采用DSP內(nèi)部串行總線接口SCI外加美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗通信轉(zhuǎn)換器MAX3485來(lái)實(shí)現(xiàn)，MAX3485是用于RS-485和RS-422通信的半雙工、低功耗收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)最高10Mbps的傳輸速率、工作電壓為3.3V[8]-[10]。本文選用2片MAX3485芯片分別與主控芯片TMS320F2812連接，接口原理如圖3所示。

TMS320F2812的SCIRXDA、SCITXDA、SCIRXDB、SCITXDB引腳分別與2片MAX3485芯片的RO、DI引腳連接，構(gòu)成2路RS-485通信線路。GPIOE2、GPIOF7連接MAX3485芯片的收/發(fā)控制引腳RE、DE。本文串口工作在RS-485自動(dòng)收發(fā)模式下，GPIOx引腳用于控制RS-485數(shù)據(jù)的自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換，只有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)GPIOx才為高電平，其他情況下，GPIOx保持低電平，可通過(guò)狀態(tài)寄存器進(jìn)行配置。

MAX3485的A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，RS-485接收器的檢測(cè)靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB≥+200mV時(shí)輸出邏輯1，VA-VB≤-200mV時(shí)輸出邏輯0，而|VA-VB|<200mV時(shí)，輸出不確定，所以要分別在RS-485接口電路的A、B輸出端接上拉和下拉電阻，增加電路穩(wěn)定性。

1.4 電源電平轉(zhuǎn)換模塊

由于TMS320F2812內(nèi)核電壓1.8V，I/O電壓3.3V；AD587、DAC7724、MAX3485的工作電壓分別為15V、5V和3.3V，因此，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器已經(jīng)不能滿足要求，本文采用TI公司的TPS767D318芯片和DC/DC電源模塊相結(jié)合的方法，只需要直流28V電壓供電就能滿足信號(hào)發(fā)生裝置的供電需求。兩個(gè)DC/DC電源模塊分別將28V直流電轉(zhuǎn)換成5V和15V直流電，TPS767D318將5V直流電轉(zhuǎn)換成3.3V和1.8V直流電，這樣就能夠向裝置提供滿足所有器件所需的電壓。TPS767D318是一種雙路低壓差電源調(diào)整器[11]，主要應(yīng)用在需要多種電源供電的電路設(shè)計(jì)中，具有可單獨(dú)供電的雙路固定輸出，分別為3.3V和1.8V，每路輸出電流的范圍在0～1A，其接口原理如圖4所示。

由于DSP輸出信號(hào)為3.3V，它們必須通過(guò)3.3V轉(zhuǎn)5V的電壓變換才能與DCA7724的5V信號(hào)線連接。本文選取74ALVC164245芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，164245是一個(gè)16位（雙8進(jìn)制）雙向電平轉(zhuǎn)換器，該芯片能夠靈活進(jìn)行3.3V與5V電壓之間的雙向電平轉(zhuǎn)換[12]。74ALVC164245芯片的A端口由正3.3V電壓供電，B端口由正5V電壓供電，從而實(shí)現(xiàn)3.3V與5V電壓之間的雙向電平轉(zhuǎn)換。OE端為該電平轉(zhuǎn)換器的輸出使能控制端，DIR端為電平轉(zhuǎn)換方向控制端，轉(zhuǎn)換方向使能操作見(jiàn)表1所列。

本文只需要3.3V到5V電平轉(zhuǎn)換，故DIR接高電平，OE接低電平，接口原理圖如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生裝置要有高精度、高性能等工作特性，不僅僅依賴于硬件電路的合理設(shè)計(jì)，而且與軟件的可靠設(shè)計(jì)息息相關(guān)。本文軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將軟件劃分為主函數(shù)模塊、建立波形模塊、通道選擇模塊及上位機(jī)界面等四大部分。各個(gè)模塊主要完成以下功能：主函數(shù)模塊主要完成系統(tǒng)的初始化，調(diào)用建立波形模塊建立波形數(shù)據(jù)，調(diào)用通道選擇模塊選擇波形輸出通道；建立波形模塊根據(jù)給定波形參數(shù)（如頻率、周期數(shù)、幅值等）按公式計(jì)算數(shù)據(jù)并保存在主控芯片中；通道選擇模塊選擇8個(gè)通道中某一個(gè)或多個(gè)通道輸出，并在中斷服務(wù)程序中調(diào)用輸出函數(shù)，中斷頻率由輸出波形的頻率確定；用戶在上位機(jī)界面輸入要輸出波形的幅值、周期及通道等參數(shù)，點(diǎn)擊輸出，信號(hào)發(fā)生裝置輸出引腳輸出相應(yīng)波形。

2.1 CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

CCS是TI公司推出的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其專為開(kāi)發(fā)TMS320系列的DSP設(shè)計(jì)。CCS自推出以來(lái)發(fā)展出了多個(gè)版本，常用的有CCS3.3、CCS5.5、CCS6等。CCS采用圖形化界面，有多種編輯工具及工程管理工具，是一種工作在Windows操作系統(tǒng)下的類似于VC++的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。它所集成的代碼調(diào)試工具具有多種調(diào)試功能，用戶可進(jìn)行指令級(jí)的仿真及可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。此外，CCS還提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，極大地方便了TMS320系列DSP軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。

CCS有軟件仿真器模式和在線編程模式兩種開(kāi)發(fā)模式。其中軟件仿真器模式可以脫離主控芯片，在PC機(jī)上模擬主控芯片的指令集和工作機(jī)制，該模式主要用于前期算法的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試；在線編程模式可在DSP芯片上實(shí)時(shí)運(yùn)行，并與硬件電路板相結(jié)合進(jìn)行在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生裝置采用在線編程的工作模式。

2.2 軟件流程

根據(jù)上述的模塊化程序設(shè)計(jì)思想，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

2.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括以下步驟：首先是設(shè)置高速外設(shè)時(shí)鐘，將仿真讀取使能位EALLOW清零；然后將通用I/O口設(shè)置為默認(rèn)值；再清除所有中斷，將外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊PIE向量表設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)值；最后將中斷標(biāo)志寄存器IFR和中斷使能寄存器IER的相應(yīng)位清零。

2.2.2 建立波形數(shù)據(jù)

建立波形模塊是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，為了方便理解，本文以輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波為例詳細(xì)闡述建立波形模塊的算法，假設(shè)要輸出的波形是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，幅值為A，頻率為f，具體步驟如下：

（1）首先確定輸出信號(hào)能達(dá)到的最高頻率，即定時(shí)器的中斷頻率為f0，則中斷周期為T0。

以上是輸出正弦波時(shí)建立波形模塊的具體步驟，當(dāng)需要輸出正弦波以外的其他波形時(shí)，只需要改動(dòng)最后一步即可實(shí)現(xiàn)。如果要輸出異形波，可將各個(gè)點(diǎn)的數(shù)值放入數(shù)組，采用查表法進(jìn)行輸出。

2.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Visual Studio 2010作為上位機(jī)編程軟件，C#語(yǔ)法簡(jiǎn)單，代碼重用性高，易于維護(hù)，且設(shè)計(jì)出了可視化圖形用戶界面以便于測(cè)試人員快速操作。本系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)主要是用戶在可視化界面中輸入需要的波形信息，使用Serial Port類實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與信號(hào)發(fā)生裝置之間的通信，從而使信號(hào)發(fā)生裝置相應(yīng)通道輸出用戶需要的波形。信號(hào)發(fā)生裝置上位機(jī)界面如圖7所示。

3 功能測(cè)試

按照上述硬件電路設(shè)計(jì)搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并根據(jù)軟件設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)DAC7724的多路信號(hào)輸出。在上位機(jī)界面選擇輸出通道（8個(gè)通道）、輸出波形（包括正弦波、余弦波、方波、三角波、跳變沿、異形波等）、頻率、周期數(shù)、幅值等信息，用示波器實(shí)測(cè)輸出波形如圖8所示。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)一致，實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)輸出功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于DSP和DAC7724的多路信號(hào)發(fā)生裝置，該裝置根據(jù)上位機(jī)界面輸入的波形信息輸出多路任意形狀的波形，波形的類型、頻率、幅值以及需要輸出的周期都可以根據(jù)用戶需求可視化設(shè)置，極大地提高了輸出波形的靈活性。系統(tǒng)具有精度高、速度快、高性能、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，可用于系統(tǒng)調(diào)試及工業(yè)測(cè)試中，作為頻率和幅度可控的信號(hào)源，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

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