基于ARM的AD和DA转换模块的设计.doc

基于ARM的A/D和D/A转换模块的设计基金项目：广州市科技计划项目（编号：2005Z1D0051）。黎大鹏, 程良伦 （广东工业大学自动化学院，广州 510060）摘要：近年来，传感器网络技术的兴起，为模数和数模转换的应用注入新的血液。在此大趋势下，本文介绍了在ARM系统下，通过对TI公司的TLC2543和DAC5573的控制，来实现 A/D和D/A转换模块的设计。该系统具有良好可扩展性，强大的可操作性，广泛应用在传感器技术的各个方面。关键词：A/D; D/A; TLC2543; DAC5573Design of A/D and D/A change system based on ARMLi DaPeng, Cheng Liang-lun (Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510050)Abstract：The application of A/D and D/A change have been entering into a new step based on development of the sensor network technology in recent years. The paper introduced the design of A/D and D/A change through controlling TLC2543 and DAC5573 that were made from TI Company based on the S3C4510 system. The system had a great expansion and a strong operation, and it apply in all aspects of the technology of the sensor. Key word: A/D; D/A; TLC2543; DAC55730、引言传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展1。无线传感器网络（Wireless Sensor Network）作为其中新兴技术，是目前国内外研究的热点。随着电子产业数字化程度的不断成熟，目前的控制电路以ARM系统为主体，同时在ARM系统下包含了很多数字电路和模拟电路的混合电路2。所以作为模拟和数字电路的接口的A/D转换器和D/A转换器，越来越受关注。人们对A/D转换器和D/A转换器的要求也越来越高，新型的模拟/数字转换技术不断涌现3。A/D转换器具有三个基本功能:采样、量化和编码。如何实现这三个功能，决定A/D转换器的电路结构和工作性能。A/D转换器的类型很多，包括全并行模拟/数字转换,两步型模拟/数字转换,插值折叠型模拟/数字转换,流水线型模拟/数字转换, 逐次逼近型模拟/数字转换。本文要介绍的TLC2543采用逐次逼近型模拟/数字转换，SPI的电路接口，结构简单，面积和功耗小，而且不存在延迟问题。非常适合工业控制和数据采集系统4。D/A转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成，并按数字输入值切换开关,产生比例于输入的电流(或电压)。一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。本文要介绍的DAC5573采用的是电压输出型。它采用内置输出放大器以低阻抗输出，直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载,由于无输出放大器部分的延迟,作为高速DA转换器使用。该具有高速IIC接口，而且功耗很低，能广泛应用于伺服系统控制、过程自动化控制及音频处理中5。因此，TI公司的TLC2543 和DAC5573无论从采样精度到转换时间上都是很先进，完全能够满足设计者的要求。1、AD/DA转换模块的设计特点1、1 扩展性扩展性包括两部分：1、IIC的扩展，IIC的扩展是通过把IIC接口标准的芯片放在同一个IIC接口上来实现的。它们是靠地址来识别，DAC5573有4个地址位，所以IIC总线上可以外接16个DAC5573，每个DAC5573有4路输出，总共能扩展成64路模拟量输出。完全可以满足设计系统的要求，如图1.1所示。除了能够接入DAC5573，还可以连接其他IIC接口的芯片来实现其他功能，例如可以增加PCA9555来扩展IO，增加铁电存储器FM31256 等。2、SPI扩展，SPI的扩展基于相同的数据输出DOUT，数据输入DIN，时钟SCLK总线的基础上，通过采用不同的片选SS引脚来扩展，如图1.2所示。若要控制总线上的某一个芯片，只需把该芯片的SS引脚的电平拉低，就可以对此芯片进行操作。所以理论上只要有足够的IO口，可以连接无数个TLC2543。而IO口的扩展可以通过PCA9555来实现。该设计完全能满足系统对A/D转换通道的要求。图1 IIC总线的扩展图2 SPI总线的扩展1、2 可操作性强可操作性强主要体现在它们都能够与5V和3.3V供电的处理器一起使用。对于TLC2543，虽然TLC2543采用5V的电源，但是由于它本身IO口的高电平识别范围广，2.7V到6V的电压值都能准确地识别成高电平。所以当它接入现在常用的ARM系统时，不仅能够正常使用。而且把电压的输入范围从0-3.3V增加到0-5V。提高了它的应用范围。为了让DAC5573适应大多数控制处理器的要求，它本身有一个IO口电平选择引脚IOVDD，当接到5V供电的单片机上时，IOVDD需要接到5V；当接到像S3C4510那样使用3.3V供电的处理器上，IOVDD需要接到3.3V上；同时DAC5573可以支持0-3.3V的0-5V输出。2、A/D转换模块的设计2、1 硬件系统的设计TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程6。来自外部的11路模拟通道，它们的输入的范围是0-5V。但是需要下拉一个1.2K的电阻，否则会导致输入信号会波动。然后TLC2543通过标准四线的SPI口与S3C4510连接，S3C4510没有专门的SPI控制器，所以只需连接到它的四个IO口，并通过IO口来模拟SPI的时序。如图2.1所示，其中连接到CS脚且标号为CSad的引脚作为片选端。在CSad端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止数据传送和时钟信号的产生；SCLK作为输入/输出时钟端。SCLK接收串行输入信号并完成以下四个功能：（1）在SCLK的前8个上升沿，8位输入数据存入输入数据寄存器。（2）在SCLK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到SCLK的最后一个下降沿为止。（3）将前一次转换数据的其余11位输出到DOUT端，在SCLK的下降沿时，数据开始变化。（4）SCLK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位；DIN作为输入数据端，输入的数据是一个8位的数据流，它包含4位模拟通道地址，一个2位的数据长度选择，以及一位MSB或LSB的优先和一个单极或双极输出位。DOUT作为A/D转换结果的三态串行输出端。CSad为高时处于高阻抗状态，CSad为低时处于激活状态。图3 TLC2543硬件连接图2、2 程序设计AD转换程序的设计是根据TLC2543的转换过程来实现的，转换的过程包括以下几方面的步骤，首先，需要对芯片进行初始化，上电后，CSad必须由高电平变成低电平来使SCLK时钟信号有效。然后紧跟着是输入一个八位的数据流，其中数据流的前四位是模拟通道的选择，若四位都是为零，那就表示选择通道A0，除了11个模拟通道外，芯片还提供了测试电压的输入，这样就可以在某一个通道上不加入模拟电压的情况下，验证程序是否准确。极大地提高了开发的效率。八位数据流的后四位是控制位，它们和前四位都是在SCLK的上升沿有效。而数据输出出现在SCLK的下降沿。CS_OFF(); /激活TLC2543 z=0xB4; /选用芯片的参考电压作为模拟量的输入，输出数据的长度为8位 for(j=1;j7);/用临时变量k来存储数据 rIOPDATA=(k12);/数据输出采集 add_sum（u）;/把数据累计起来 LED14_ON();/时钟信号 for(i=0;i1000;i+) SCLK_ON();/时钟信号电平拉高 for(i=0;i1000;i+) SCLK_OFF);/时钟信号电平拉低 z=(z1);/数据移位程序执行结果如图2.2所示。图2.2 A/D转换程序运行结果3、D/A转换模块的设计3、1 硬件模块的设计DAC5573具有I2C接口的8位四路。DAC5573相对TLC2543来说，硬件的连接简单很多，因为它采用标准的IIC总线，同时S3C4510里包含IIC的控制器，所以DAC5573只需接到4510的SDA和SCL这两个引脚，就可以实现两者之间的通信。具体电路图如图3.1所示。需要注意的是，SDA和SCL这两个引脚需要上拉电阻值为10K欧的电阻，来确保IIC总线能够释放出来。DAC5573可以通过VREFH和VREFL这两个引脚来调节输出电压的计算。输出的电压遵循以下的数学表达式：VOUT=2* VREFL+（VREFH- VREFL）*D/255。其中D是存储在DAC寄存器的二进制数，范围从0X00至0XFF。在本设计中，VREFL=0V，VREFL=5V，所以VOUT=5*D/255。图3.1 DAC5573的硬件连接图3、2 程序设计DAC5573符合标准的IIC模式（传输的数率为100Kbps）的设计。就是主机传输之前有开始条件，开始条件通过SDA从高电平向低电平转变来实现。其次把DAC5573的地址字节写入移位寄存器中，移位寄存器的BF位自动清零。当数据传输完成，BF位置为高电平。然后需要向从机DAC5573写入控制字节。控制字节主要实现输出通道的选择，本程序设计中控制字节=0x52，选择了四个通道中的B通道。完成以上工作后，就可以传输数据了。数据按照16位的数据格式来传输的，其中高八位是DAC寄存器的二进制数，低八位是无关要紧的数据，对输出不产生任何影响。本程序设计中，存入DAC寄存器的数D=0x80，根据VOUT=5*D/255这个表达式，输出的电压为2.5 V。最后，需要把SDA从低电平转变成高电平得方式来停止IIC的操作。IIC_init(); / 对DAC5573复位while(IICCON & BUSY); / 判断IIC总线是否忙，一直等待至总线空闲IICCON = START | ACK; / 读取开始 IICBUF = slave_addr; / 写入从机地址while(!(IICCON & BF); / 判断数据是否传输完成，若完成BF位为1IICBUF = (int)addr; / 写入控制字节 while(!(IICCON & BF); /判断数据是否传输完成，若完成BF位为1for(i=0;isize;i+)IICBUF = *pdata+; /写入数据while(!(IICCON & BF); /判断数据是否传输完成，若完成BF位为1IICCON = STOP; /结束Delay_IIC(5000); /延时IIC_Write(0x9E,0x52,write_data,2,1); /地址字节=0x9E,控制字节=0x52(选择通道B)，输出数据 D=0x80=2.5v;程序执行结果如图3.2所示。图3.2 D/A转换程序运行结果4、小结本文提到的A/D和D/A转换模块，操作方便，工作稳定。现在已使用在RFID传感器网络中，相信随着传感器技术的发展，A/D和D/A转换技术的使用会更广泛。参考文献：1 史永彬 叶湘滨.基于MSP430的无线传感器网络设计J 单片机与嵌入式系统应用. 2006.72 Robert I. Damper. Ann application to modeling of the D/A an