高精度A_D转换器AD7864与DSP接口设计与实现.doc

高精度A/D转换器AD7864与DSP接口设计与实现摘 要 详细介绍了高精度4通道同步采样A/D转换器AD7864的特点和工作方式，以及AD7864与DSP外部存储器接口进行异步数据通信的控制方法。给出AD7864与TMS320C6711的接口电路，详细介绍了工作过程，最后给出了AD7864与TMS320C6711接口软件编程实现。关键词 AD7864；DSP ；EMIF ；接口 Design and Implementation of Interface Between DSP and High Precision A/D Converter AD7864 MU Hong-de WANG Jun-feng SHI Tie-lin(Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)Abstract This paper describes the feature and principle of AD7864,which is a 4-channel,simultaneous sampling,high speed and low power12-bit ADC.Explains the control method of asynchronous data communication between AD7864 and EMIF of DSP.Gives the interface design between AD7864 and TMS320C6711,including interface circuit and software implementation.Keywords AD7864；DSP；EMIF；Interface中图分类号：TN79 文献标识码：B0 引言在对激光束进行位置测量时，需要同时采集多路信号，如测量激光束的位置信息和角度信息，再通过一定的算法计算来确定激光束的位置偏差情况。在这个过程中，多路信号同时采样对整个测量系统的精度有着很重要的意义。一般的A/D转换器内部只有一个采样保持器，若要实现多路同时采样，或者使用多个A/D转换器，或者加额外的采样保持器。AD7864却可以直接适应这个需求，它是4通道同时采样的高精度A/D转换器，高速并行输出接口与DSP芯片TMS320C6711的外部存储器接口直接相连，此方案实现对多路信号精确测量，具有精度高，电路结构简单，系统功耗低的特点。1 AD7864的特点、结构和工作方式1.1 AD7864的特点AD7864是美国模拟器件公司生产的一款高精度、高采样频率、低功耗的信号采集芯片，分辨率为12位，可实现4通道同时采样。AD7846的转换时间为1.65 s/CH，采样保持时间为0.35 s，单通道最高采样频率为500 kSPS。若四通道同时采样，每通道最高采样频率可达130 kSPS。信号输出采用12位高速并行数据输出接口，不需要电平转换等处理，可直接连接MCU。通道选择可以通过硬件或软件实现。数据转换和读取可以选用内部时钟模式或外部时钟模式。信号输入范围很宽：10 V，5 V（AD7864-1型）；0 V2.5 V，05（AD7864-2型）；2.5 V（AD7864-3型），而且具有电压过载保护功能。由+5 V单电源供电，功耗低达90 mW，省电模式下可低达20 W，可方便用于便携式设备和电池供电设备。1.2 内部结构和引脚配置AD7864内部集成12位逐次逼近式ADC、4个采样保持器、多路转换器器和锁存器、内部晶振时钟、输出数据寄存器、2.5 V参考电压、缓冲器和电阻网络等。结构框图如图1所示。 图1 AD7864 结构框图AD7864采用44引脚MQFP封装，引脚包括控制引脚、数字输出并口引脚、模拟输入引脚和电源引脚等，其中关键控制引脚的功能说明如下：BUSY：BUSY输出信号。/CONVST信号的上升沿触发BUSY信号为高电平，并保持高电平直到所选择通道的转换完成。/CONVST：采样启动输入信号。启动所选择的通道开始采样。 /CS：芯片选择片选输入信号。低电平有效，当输入信号有效时，芯片被选通。/RD：读输入信号。低电平有效，通过/CS和/RD联合控制可以读出转换后的数据。在执行读操作时，要保证/WR引脚为逻辑高电平。 /WR：写输入信号。/WR的上升沿，同时/CS低电平、/RD高电平，这时将DB0到DB3的逻辑状态锁存到通道选择寄存器。SL1SL4：硬件通道选择。当/H/S SEL为逻辑0，通过SL1SL4电平来控制转换通道。 /H/S SEL：硬/软件选择输入。当引脚电平为逻辑0，AD7864的转换顺序由SL1SL4输入来控制。当引脚电平为逻辑1，转换顺序通过通道选择寄存器来控制。/INT/EXT CLK：内部/外部时钟选择输入。当这个引脚电平为逻辑0，AD7864应用它内部产生主控时钟。当这个引脚为逻辑1，主控时钟由外部器件来产生。./EOC：转换结束信号.。低电平有效，每次转换结束在这个引脚产生一个下降沿。1.3 工作方式1.3.1 时钟模式AD7864通过引脚/INT/EXT CLK来决定工作在内部时钟模式还是外部时钟模式。内部时钟模式可最优化AD7864的特性，内部时钟模式的转换时间为1.65 s，采样频率可达到最高。而外部时钟模式的最高时钟频率是5 MHz，转换时间为2.6 s。 然而，外部时钟模式也具备一定的优点。例如，通过使用同样的外部时钟来实现2个或者更多的AD7864同步采样和转换。1.3.2 通道选择AD7864可以选择VIN1到VIN4这4个通道的任意子集来进行数据转换，被选择的通道按升序排列进行转换。转换顺序可以通过硬件通道选择引脚（SL1到SL4）或可编程通道选择寄存器来实现。当/CONVST变成逻辑高时，硬件通道选择引脚上的高电平或者通道选择寄存器的逻辑1确定相应的模拟通道转换顺序（见图1）。1.3.3 数据转换和读取 处理器读取AD7864转换后的数据有两种方法：转换中读取和转换后读取。前者是在下一个通道转换完之前读取前一个通道的数据。后者则是在所有通道都转换完读取数据。 转换中读取数据芯片可以达到最高的数据吞吐率。其具体工作过程如下：一次转换从转换起始信号/CONVST的上升沿开始，4个采样保持器同时处于保持状态，1.65s后，得到转换顺序中第一个通道的数据，每个通道的转换都有1.65s的间隔。/EOC信号的下降沿便是每次转换的结束。BUSY输出信号表示所有选择通道转换都完成。每次/EOC信号变成低电平，执行一次读操作。转换后读取数据的具体工作过程如下：当转换起始信号/CONVST上升沿时，4个采样保持器进入保持状态，开始对选择的通道采样。同时，BUSY输出信号被触发为高电平，并在转换过程中一直保持为高，当全部通道转换结束后，才变为低电平。/EOC信号在每一个通道转换结束时均有效。全部通道转换后的数据保存在AD7864内部相应的锁存器中。全部通道转换结束后，当片选信号和读信号有效时，就可以按照转换顺序从数据总线上并行读取数据。2 DSP外部存储器接口EMIF特点与结构TMS320C6711是TI公司的新一代高性能32位浮点型数字信号处理器，主频可达150 MHz。DSP访问片外存储器时必须通过外部存储器接口（EMIF），EMIF不仅具有很高的数据吞吐率（最高可达1200MB/s），而且可以与目前几乎所有类型的存储器直接接口。EMIF的异步接口提供4个控制信号，如表1所示。这4个控制信号可以通过不同的组合（并非都需要）实现与不同类型异步器件的无缝接口。EMIF的CExCTL寄存器负责设置异步读/写操作的接口时序，可以满足对不同速度的异步器件的存取。表1 EMIF 异步接口信号EMIF异步接口信号用途/功能/AOE输出允许，在整个读周期中有效/AWE写允许，在写周期中触发阶段保持有效/ARE读允许，在读周期中触发阶段保持有效ARDYReady信号，插入等待3 AD7864和TMS320C6711硬件接口设计图2为TMS320C6711与AD7864接口示意图，CD74HCT154是的一个416译码器，使/E1和/E2均为低电平选通译码器，进而可实现外部设备（如AD，DA，RAM等）对DSP的EMIF的复用。译码器由EMIF的/CE3选通，将EMIF地址线低4位A3:0的输入数据译码为16个选通信号。其中/Y0和/Y1分别连接AD7864的转换起始信号/CONVST和片选信号/CS。读使能信号/RD连接在EMIF的/ARE，写使能信号/WR连接在EMIF的/AWE，AD7864转换结果12位并行数据传送给EMIF数据总线的低12位ED11:0。状态信号BUSY连接到 图2 AD7864与TMS320C6711接口示意图DSP的外部中断EXT_INT4引脚，触发DSP外部中断，读取并行数据。/H/S SEL接高电平，通过软件选择通道。/INT/EXT CLK接低电平，采用内部时钟模式。四个模拟通道输入引脚连接如图2所示，每个通道信号的输入范围定为05 V。数据采集和转换的工作过程如下：1.置片选信号/CS和写使能信号/WR为低电平，将通道选择信息写入通道选择寄存器。2.置转换起始信号/CONVST为低电平，AD7864先锁存选择的通道选择寄存器内的数据，并开始对选择的通道进行数据转换，这时BUSY保持高电平。3.数据转换完成后，BUSY信号由高电平变为低电平，并在其下降沿触发DSP外部中断EXT_INT4，然后将片选信号/CS和读使能信号/RD同时设置为低电平，读取数据。4 软件流程对AD7864的控制由运行在DSP上的软件完成。软件的流程总体上分为通道选择、转换数据和读取数据等部分。#define Addr_beam_sensor_enable 0xB0000001#define Addr_beam_select_and_data 0xB0000002void parallel_AD (short channelno)short enabled=1;short a,b;*(unsigned volatile char *)Addr_beam_select_and_data=channelno;/* /CS、/WR选通，将通道编号写入到数据寄存器地址 */*(unsigned volatile short *)Addr_beam_sensor_enable= enabled;/* /CONVST选通，开始转换数据 */a=*(unsigned volatile char *)Addr_beam_select_and_data;/* /CS、/RD选通，将转换后的数据存放到预定的16位地址*/b=a&0x0FFF;/* 16位数据中的低12位有效 */ 5 结束语本文详细介绍了ADI公司的高精度A/D转换器AD7864的结构、特点和工作方式，给出AD7864与DSP的EMIF的并行通讯接口设计及C语言实现的代码，此方案已成功应用到一套激光束测量系统。参考文献：14-Channel,Simultaneous Sampling,High Speed,12-Bit ADC AD7864. Analog Devices Inc.20042张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用（第2版）M.电子工业出版社，20003李方慧,王飞,何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理与应用（第2版）M.电子工业出版社,20034TMS230C6711 Floating-point Digital Sigal Processor，Texas Instruments Inc,1999作者简介：穆洪德（1980-），男，满族，硕士研究生，机械电子工程专业，主要从事嵌入式控制系统、信号采集与处理等方面的研究。王峻峰（1964-），男，汉族，副教授，机械电子工程专业，主要从事故障诊断、信号分析处理及嵌入式控制系统等方面的研究。史铁林（1964-），男，汉族，教授，博士生导师，机械电子工程专业，主要从事故障诊断，人工智能、微机电系统等方面的研究。MU Hong-de, male, born in 1980, Man, Master, mechanical electronics specialty. Now engaged in embedded control system, signal sampling and processing.WANG Jun-feng, male, born in 1964, Han, associate professor, mechanical electronics specialty. Now engaged in fault diagnoses, signal analyzing