AD7890串行A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及實現(xiàn)與DSP的接口設計

隨著工業(yè)技術進步，對數(shù)字控制伺服系統(tǒng)中執(zhí)行效率和集成化程度的要求越來越高。比如用單處理器控制多個伺服系統(tǒng)時，對多通道A／D轉(zhuǎn)換的效率要求較高。以往較多地使用多路模擬開關與單通道A／D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，效率較低，使用模擬開關帶來的噪聲也比較嚴重。在此，選用串行多通道A／D轉(zhuǎn)換器AD7890與TMS320F2812處理器的SPI接口組成A／D轉(zhuǎn)換模塊，非常適合應用于多軸伺服系統(tǒng)。AD7890是一款8通道12位串行A／D轉(zhuǎn)換器，具有高轉(zhuǎn)換效率（轉(zhuǎn)換時間僅為5．9μs）、高速靈活的串行接口、多通道等優(yōu)點。其中，AD7890-10輸入電壓范圍為-10～+10 V。TMS320F2812處理器上集成了多種先進的外設，為實現(xiàn)電機及其他運動控制領域的應用提供了良好的平臺，它所提供的SPI接口通常用于DSP處理器和外部設備及其他處理器之間的通信。SPI分主、從兩種工作方式，數(shù)據(jù)長度可編程（1～16 b），并能同時進行接收和發(fā)送操作，通常用于DSP處理器和外部外設以及其他處理器之間的通信，這使它能很方便地與AD7890采用主／從模式進行通信。

1 、AD7890工作模式和原理

AD7890的SMODE引腳是工作模式控制輸入端，它決定了器件是工作于外部時鐘模式（作為從設備），還是內(nèi)部時鐘模式（作為主設備）。當SMODE置于高電平時，器件工作在外部時鐘模式，由主設備提供時鐘信號SCLK和接收幀同步信號RFS，AD7890可接收的最大串行時鐘頻率達10 MHz；當SMODE置于低電平時，器件工作在內(nèi)部時鐘模式，自身提供時鐘信號SCLK和接收幀同步信號RFS，其時鐘頻率由CLK引腳輸入時鐘頻率決定。本文以DSP作為主控制器，AD7890作為從設備，由DSP的SPI口提供串行時鐘。

AD7890通過片內(nèi)高速雙向串行數(shù)據(jù)接口接收控制字和輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過向控制寄存器寫數(shù)據(jù)可以確定轉(zhuǎn)換通道、轉(zhuǎn)換開始信號等信息。其控制寄存器包含5位數(shù)據(jù)，因此至少需要6個SCLK脈沖才能完成對寄存器的寫操作。其中，A2，A1，A0分別為通道地址選擇最高位、次高位、最低位。通道選擇算法為：通道號=4A2+2A1+A2+1。發(fā)送數(shù)據(jù)的第5個SCLK脈沖下降沿過后的數(shù)據(jù)均為無效數(shù)據(jù)?？刂谱謱懭爰拇嫫骱螅骷磫觾?nèi)部延時脈沖，保證在轉(zhuǎn)換開始前跟蹤／保持器有足夠的時間來完成轉(zhuǎn)換通道的建立和切換。該延時脈沖寬度取決于引腳電容的CEXT值。一般引腳電容值取CEXT、120 pF或200 pF。據(jù)測試，此時延時脈沖寬度分別約為7．Oμs和9．6μs。向控制寄存器寫數(shù)據(jù)時CEXT，引腳電平由低變高，電容在第6個時鐘脈沖的下降沿開始放電，電壓降低至2．5 V以下時內(nèi)部延時脈沖結(jié)束，同時A／D轉(zhuǎn)換開始，5．9μs后轉(zhuǎn)換結(jié)束。若此時串行讀操作已完成，且RFS已變高為高電平，則用新的轉(zhuǎn)換結(jié)果更新輸出寄存器。至此，一次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束。圖1為AD7890工作原理圖，從示波器獲取的圖片顯示了CEXT引腳電平、SCLK脈沖與A／D轉(zhuǎn)換過程時間的關系。

2 、AD7890工作時序與讀寫操作方法

控制AD7890的轉(zhuǎn)換開始有兩種方法。一是，硬件控制，即將CONVST引腳置低，器件產(chǎn)生一個窄低電平脈沖，在脈沖的上升沿A／D轉(zhuǎn)換開始，前提是須向CONV位寫0；二是，軟件控制，即向控制寄存器的cONV位寫1，此時CONVST引腳不起作用。二者區(qū)別在于，采用硬件控制轉(zhuǎn)換開始時，在CONVS麗上升沿啟動轉(zhuǎn)換，此時必須保證內(nèi)部延時脈沖已經(jīng)結(jié)束；對于軟件控制，內(nèi)部延時脈沖結(jié)束時轉(zhuǎn)換立即開始。需要說明的是，在向控制寄存器寫數(shù)據(jù)時，6個寫操作時鐘脈沖結(jié)束前，發(fā)送幀同步信號TFS必須保持低電平，否則寫操作不能成功。而讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果期間，接收幀同步信號RFS必須保持低電平。RFS和TFS連在一起，使SPI口的讀、寫操作同時進行。以DSP作為主設備，AD7890作為從設備，即工作在外部時鐘模式下，此時讀、寫操作時序分別如圖2所示。DSP的SPISTE麗引腳具有從設備片選功能，該引腳為低時可向從設備發(fā)送數(shù)據(jù)，文中將該引腳作為通用收、發(fā)幀同步信號來控制RFS和TFS。

3 、AD7890與TMS320F2812的SPI接口硬件實現(xiàn)

TMS320F2812是TI公司推出的數(shù)字信號處理器，它在電機控制方面性能優(yōu)越，使其在工業(yè)控制中得到了非常廣泛的應用。它所提供的串行外設接口（SPI）是一個高速同步的串行輸入／輸出口，包含4個外部引腳：從輸出／主輸入引腳（SPISOMI）、從輸入／主輸出引腳（SPISIMO）、從發(fā)送使能引腳（SPISTE）、串行時鐘引腳（SPICLK）。SPI主要特點是可以同時發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)；可以當作主機或從機工作；提供頻率可編程時鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標志。

確定DSP的低速外設時鐘LSPCLK后，通過波特率控制寄存器SPIBRR，確定波特率SCLK。波特率具體計算方法是：當SPIBRR=3～127時，SCLK=LSPCLK／（SPIBRR+1）；當SPIBRR=0，1，2時，SCLK=LSPCLK／4，因此共具有125種可編程波特率。文中，DSP的工作頻率為120 MHz，低速時鐘LSPCLK為30 MHz，故可編程波特率范圍為234．375 kb／s～7．5 Mb／s。通過提高系統(tǒng)低速時鐘，可以提高可編程波特率范圍；通過選較高的波特率，能提高數(shù)據(jù)傳輸速率，即提高A／D的轉(zhuǎn)換效率。AD7890-10與TMS320一F2812的SPI接口硬件連接框圖如圖3所示。

由于AD7890-10數(shù)據(jù)電平為5 V，而TMS320F2812的I／O所能承受的電壓最高為3．3 V，因此必須對A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果進行電平轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為I／0口可承受的電壓。把5 V電平轉(zhuǎn)為3．3 V電平有多種方法。常用的有兩種。一是選用專門的電平轉(zhuǎn)換器件，如TI公司的SN74I．VTHl6245；二是把A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果通過系統(tǒng)中CPLD的I／O口再輸出到DSP，前提是所選CPLD可承受輸入電壓為5 V，而輸出為3．3 V。本文采用后一種方法，選用的是Altera公司的EPM7128ST1100-10，給CPLD的I／O口供3．3 V電源即可滿足要求。將A／D數(shù)據(jù)通過一個CPLD的一個I／O口轉(zhuǎn)接，經(jīng)軟件進行邏輯處理后輸出至DSP即可。需要注意的是，為避免噪聲干擾，AD7890的所有未用引腳不能懸空，必須接可承受范圍內(nèi)的固定電平。實驗表明，特別是CLKIN引腳不能懸空，否則可能導致A／D轉(zhuǎn)換不能成功。對于AD7890-10，當未使用的輸入通道電壓值低于-12 V時會對所選其他通道的轉(zhuǎn)換造成嚴重干擾。文中采取的方法是將外部時鐘輸入引腳SCLK與內(nèi)部時鐘輸入引腳CLKIN相連，可以有效去除干擾。

4、 軟件讀寫實現(xiàn)

對于SPI接口而言，數(shù)據(jù)與串行時鐘脈沖是同時產(chǎn)生的，即只有數(shù)據(jù)線上有數(shù)據(jù)傳送時才產(chǎn)生時鐘脈沖。所以發(fā)送控制數(shù)據(jù)結(jié)束后，DSP收到的數(shù)據(jù)并不是真實的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，但需要讀取接收緩沖寄存器數(shù)據(jù)使SPI復位。多次實驗表明，對于單次A／D轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后需要再向AD7890發(fā)送2次空控制數(shù)據(jù)0x0000，之后DSP的SPI接收緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)才是正確的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即每次A／D采樣循環(huán)需要進行三次數(shù)據(jù)交換才能得到有效A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。采用查詢方式判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送結(jié)束，即SPI狀態(tài)寄存器SPIINT FLAG位為1時表示已完成數(shù)據(jù)發(fā)送。軟件實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的流程框圖如圖4所示。

對于AD7890-10，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)為二進制補碼格式，且包含通道數(shù)據(jù)，因此讀取結(jié)果后應根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行適當處理，包括屏蔽通道選擇數(shù)據(jù)和進行碼制轉(zhuǎn)換等，以便換算成系統(tǒng)所需要的數(shù)字量。為便于處理，將-10～+10 V電壓對應的碼值轉(zhuǎn)換為0～4 096。文中處理方法為：將轉(zhuǎn)換結(jié)果高四位通道數(shù)據(jù)屏蔽后，若A／D輸入為正電壓，則獲取低12位結(jié)果與0x0800相加得到處理后的數(shù)據(jù)；若A／D輸入為負電壓，則將補碼轉(zhuǎn)換成原碼后與0xF800作差獲取處理結(jié)果。

經(jīng)多次測試，得到A／D轉(zhuǎn)換子程序運行時間（即一次A／D轉(zhuǎn)換總耗時）與波特率對應關系如表1所示。

從表1中可以看出，為提高轉(zhuǎn)換效率，應在可承受范圍內(nèi)選擇盡可能高的波特率，但不應超過AD7890-10的上限值10 Mb／s。對文中SPI接口的實際應用表明，A／D轉(zhuǎn)換性能非常穩(wěn)定，效率較高，轉(zhuǎn)換精度高，誤差僅為±1碼，約4．88 mV。

5 、結(jié) 語

用DSP的串行外設接口SPI與串行多通道A／D轉(zhuǎn)換器AD7890組成數(shù)字伺服系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)模塊，能完成8個通道模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，效率較高，接口簡單，性能穩(wěn)定。通過選擇較高的波特率可以縮短數(shù)據(jù)傳輸時間，提高A／D轉(zhuǎn)換效率。當DSP提供的外部時鐘SCLK為AD7890所能承受的最高值10 MHz時，單個通道徹底完成一次A／D轉(zhuǎn)換僅需12．4μs。本文所做的接口設計為多軸數(shù)字控制系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換模塊提供了一種實用的選擇與參考。

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