高速DSP與串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2558接口的設(shè)計(jì)

摘 要：根據(jù)高速定點(diǎn)DSP芯片TMS320F206的特點(diǎn)，提出使用串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2558作為DSP系統(tǒng)的模擬量輸入部分，解決了以往基于并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁/D轉(zhuǎn)換器不能與高速DSP進(jìn)行很好配合的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了DSP與串行A/D轉(zhuǎn)換器連接的硬件電路，并就A/D轉(zhuǎn)換在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：串行通信，A/D轉(zhuǎn)換，DSP，同步串行口

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DSP（Digital Signal Processor）芯片與單片機(jī)相比，具有運(yùn)算速度更快、功能更強(qiáng)的特點(diǎn)，它自誕生以來(lái)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著DSP芯片應(yīng)用的普及，DSP處理速度快的特點(diǎn)使它在與普通A/D轉(zhuǎn)換器接口時(shí)遇上了困難，使普通的、以并行接口傳輸數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換器與DSP接口時(shí)出現(xiàn)讀數(shù)不可靠的問(wèn)題。為此，需要利用DSP芯片的其它接口資源作為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸入。

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1 芯片簡(jiǎn)介

1．1 TMS320F206

TMS320F206是TI公司TMS320C2xx系列16位高速定點(diǎn)DSP芯片，具有先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水線操作和高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，集成了片內(nèi)外圍設(shè)備和片內(nèi)存儲(chǔ)器。當(dāng)采用20MHz晶振作為時(shí)鐘源時(shí)，它的主時(shí)鐘周期為50ns。F206芯片具有一個(gè)同步串行口，它能提供與編譯碼器、串行A/D轉(zhuǎn)換器等串行器件的直接通信。在20MHz的時(shí)鐘下，發(fā)送和接收操作的最大傳輸速率是10Mbit/s，并有四級(jí)深度的發(fā)送和接收FIFO緩沖器，在與同步串行口相關(guān)的引腳中，DX為發(fā)送串行數(shù)據(jù)引腳；FSX是幀同步信號(hào)，用來(lái)啟動(dòng)傳送（數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始）；CLKX為發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，定時(shí)進(jìn)行位傳送。同步串行口接收部分對(duì)應(yīng)的引腳相應(yīng)為DR、FSR和CLKR。

1．2 TLC2558

TLC2558也是TI公司生產(chǎn)的高性能12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，共有8路模擬通道，最大采樣率為400ksps，自帶有8級(jí)FIFO，輸入模擬量電壓在0～5V之間。TLC2558的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，TLC2558由控制邏輯電路、A/D轉(zhuǎn)換器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和采樣/保持器、參考電壓、FIFO、配置寄存器（CFR）和命令寄存器（CMR）等部分構(gòu)成。配置寄存器（CFR）用來(lái)設(shè)定TLC2558的工作方式，它和外部的控制信號(hào)一起可以有效地控制芯片的工作，包括采樣、轉(zhuǎn)換、讀取數(shù)據(jù)等；命令寄存器CMR用來(lái)選擇模擬量輸入通道和讀寫(xiě)CFR。在外接的信號(hào)中，SCLK引腳接時(shí)鐘信號(hào)，芯片通過(guò)引腳SDI在SCLK時(shí)鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)，通過(guò)引腳SDO在SCLK時(shí)鐘的上升沿傳送數(shù)據(jù)；CS/為片選信號(hào)；FS為DSP幀同步輸入，表示串行數(shù)據(jù)幀開(kāi)始輸入或輸出；在擴(kuò)展采樣時(shí)，CSTART/可用來(lái)控制模擬輸入采樣的開(kāi)始：高電平到低電平的跳變開(kāi)始模擬輸入信號(hào)的采樣，而低電平到高電平的跳變則置S/H為保持模式并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，如不用，可將此引腳接正電源；PWDN/為邏輯零時(shí)，模擬及基準(zhǔn)電路均斷電，使芯片低功耗運(yùn)行。INT/可設(shè)定為主處理器的終端輸出信號(hào)，INT/的下降沿表示數(shù)據(jù)已轉(zhuǎn)換完畢，請(qǐng)求CPU接收數(shù)據(jù)。AD轉(zhuǎn)換器采用12位的逐次逼近的ADC。TLC2558片內(nèi)還包含了一個(gè)8級(jí)12位的FIFO緩沖器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完后，放入FIFO中等待主處理器讀取數(shù)據(jù)，使用者能夠根據(jù)需要通過(guò)配置CFR選擇FIFO中數(shù)據(jù)滿2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)時(shí)或不經(jīng)過(guò)FIFO，由CPU讀取，這樣可以使用戶根據(jù)需要靈活選擇DSP讀取數(shù)據(jù)的方式。

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2 硬件設(shè)計(jì)

在分析了F206同步串行口和串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2558外接信號(hào)的特點(diǎn)后，可以利用TLC2558能與F206的同步串行口進(jìn)行無(wú)縫連接的特點(diǎn)，在F206的同步時(shí)鐘信號(hào)的作用下完成A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳輸。圖2是F206的同步串行口與TLC2558的硬件接口原理圖。圖中，A/D轉(zhuǎn)換器的A0～A7為模擬量輸入端，REFP與REFM分別接5V正電源和5V地線，使A/D模擬量輸入范圍為0～5V；FS接F206同步串行口的FSX和FSR，使數(shù)據(jù)輸入和輸出的幀脈沖信號(hào)均由DSP產(chǎn)生；FSX和FSR相連使DSP的輸入幀脈沖和輸出幀脈沖不再獨(dú)立，保證同步串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送接收操作以相同的幀時(shí)鐘進(jìn)行；SCLK接F206的CLKR和CLKX，這樣，數(shù)據(jù)輸入和輸出的同步時(shí)鐘信號(hào)均來(lái)自DSP；SDI和SDO分別接DSP同步串口信號(hào)輸出、輸入腳DX、DR，其中，SDI引腳用來(lái)接收DSP發(fā)送的命令，并寫(xiě)入命令寄存器CMR和配置寄存器CFR，設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式和采樣通道；CS/接DSP的XF，此時(shí)，XF相當(dāng)于具有閉鎖功能的輸出腳，正常時(shí)為高電平，當(dāng)需要對(duì)A/D進(jìn)行讀/寫(xiě)信息時(shí)，使XF輸出低電平，選中A/D，然后再對(duì)A/D進(jìn)行操作；INT/接DSP的BIO/，當(dāng)TLC2558的FIFO中已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定數(shù)量時(shí)，芯片發(fā)中斷信號(hào)（INT/變低）通知DSP讀取數(shù)據(jù)，這樣，DSP就能以查詢方式檢測(cè)到BIO/為低電平，然后讀取數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)TLC2558的配置寄存器CFR進(jìn)行寫(xiě)操作，可以選擇A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換方式，TLC2558共有四種轉(zhuǎn)換方式：（1）單次模式，它是唯一不用FIFO的模式，每采樣一次，就必須讀取數(shù)據(jù)；（2）重復(fù)模式，即反復(fù)對(duì)一固定輸入端進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，存入FIFO中的結(jié)果到設(shè)定的數(shù)量后，讀取這些數(shù)據(jù)，然后開(kāi)始新一輪的采樣、轉(zhuǎn)換；（3）掃描模式，它是對(duì)選中的通道依次進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換，當(dāng)FIFO放置的數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定值后，掃描方式結(jié)束，在啟動(dòng)下一次掃描之前，CPU必須讀取FIFO中的數(shù)據(jù)；（4）重復(fù)掃描模式，即重復(fù)模式和掃描模式的綜合，工作方式與掃描模式相似，當(dāng)FIFO數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定后，和重復(fù)模式一樣去讀取數(shù)據(jù)。掃描模式由于只要對(duì)TLC2558寫(xiě)一次命令就可以完成所有通道的采樣和轉(zhuǎn)換，所以用時(shí)最少，是轉(zhuǎn)換效率最高的方式，因此，對(duì)于要求采集模擬量較多、速度要求較高的場(chǎng)合，采用掃描模式是理想的選擇。而對(duì)于采集模擬量較少或者速度要求不是很高的時(shí)候，可以選擇便于編程和調(diào)試的單次模式。

3 TLC2558工作時(shí)序分析

TLC2558是以DSP的同步時(shí)鐘脈沖CLKX和CLKR為基準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的，當(dāng)采樣頻率為600Hz時(shí)，采用單次模式就可以達(dá)到要求的速度，以單次模式為例，對(duì)某個(gè)通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，首先要通過(guò)命令寄存器選擇該通道，由于命令寄存器是一個(gè)4位的寄存器，所以需要4個(gè)同步時(shí)鐘周期（SCLK），采樣一次需要12個(gè)SCLK，轉(zhuǎn)換一個(gè)模擬量需要14個(gè)SCLK，因此，完成一次轉(zhuǎn)換共需要30個(gè)SCLK。當(dāng)DSP采用202MHz晶振作為時(shí)鐘源時(shí)，同步串行口的時(shí)鐘周期是主時(shí)鐘周斯的兩倍，即100ns。所以，采用單次模式時(shí)完成一次采樣/轉(zhuǎn)換總共需要3us。圖3是單次模式下A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序，由圖可見(jiàn)，在同步時(shí)鐘和幀脈沖的作用下，A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)SDI和SDO接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

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4 編程時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

由于TLC2558在上電或從低功耗方式重新啟動(dòng)后第一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是無(wú)效數(shù)據(jù)，所以，造成了此后每次轉(zhuǎn)換完成后從SDO讀出的不是當(dāng)次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，而是前一次的數(shù)據(jù)，如圖3中的SDO所示。為了在程序執(zhí)行中，在每個(gè)采樣中斷周期內(nèi)都能得到正確的數(shù)據(jù)，可以采用以下措施：當(dāng)要對(duì)通道0～通道n（n≤7）進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，在每個(gè)中斷周期內(nèi)，依次對(duì)通道0～通道n采樣和轉(zhuǎn)換后，再對(duì)通道0進(jìn)行一次采樣和轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換完成后，讀出的是前一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，因此，對(duì)通道1～n采樣完成后，讀出的是通道0～n-1的數(shù)據(jù)，而當(dāng)最后對(duì)通道0的采樣完成后，讀出的是通道n的數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方式，使DSP能在每個(gè)采樣周期內(nèi)都能正確讀出各通道A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2558的工作原理及高速DSP進(jìn)行接口的設(shè)計(jì)。DSP通過(guò)其同步串行口接收A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，解決了以往DSP不能與并行接口A/D轉(zhuǎn)換器很好連接的問(wèn)題。同時(shí)，就設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換程序的過(guò)程中要注意的問(wèn)題作了說(shuō)明。

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參考文獻(xiàn)

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1 張雄偉.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社，2000