DSP多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1. 引言
　　由于DSP芯片具有先進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)，使其在信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402PGE100最高工作頻率是100MHZ具有2個(gè)高速、全雙工、多通道緩沖串行接口（McBSP） 其方便的數(shù)據(jù)流控制可使其與大多數(shù)同步串行外圍設(shè)備接口MAXIM公司的A/D芯片MAX147具有較高的性能價(jià)格比，最高的轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)130kHz，具有高采樣率、低功耗、高精度等特性，非常適合于體積小、對(duì)功耗要求比較嚴(yán)格的移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備，如便攜式工業(yè)測(cè)量、醫(yī)療儀器等
　　2. MAX147工作原理
　　2.1 MAX147介紹
　　MAX147是一種具有8個(gè)單端輸入通道或4個(gè)差動(dòng)輸入通道的12位精度的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍：0～2.5V（或-1.25V～+1.25V），可軟件配置單/雙極輸入采樣頻率可達(dá)133kHz采用單電源供電，工作電壓范圍+2.7～+5.25V它的功耗低：在3V/133kps時(shí)其電源電流為1.2mA在3V/133kps時(shí)其電源電流為54μA，而在掉電模式時(shí)僅為1μA它的通信接口與SPI/QSPI/Microwire/TMS320兼容
　　2.2 MAX147工作時(shí)序
　　MAX147要啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，就需要向DIN送入一個(gè)8位控制字當(dāng)片選信號(hào)CS為低時(shí)，控制字的每一位在SCLK的上升沿送入MAX147內(nèi)部寄存器當(dāng)CS拉低時(shí)，第一個(gè)到達(dá)的邏輯“1”表示控制字的第最高位當(dāng)MAX147工作在SPI模式且選擇外部時(shí)鐘時(shí)，保證CPU串行口工作在主機(jī)模式下，CPU產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘頻率（100KHz—2MHz）讀取一個(gè)MAX147的A/D轉(zhuǎn)換值的時(shí)序如圖1所示，
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　　MAX147的控制字由八位組成，各位的功能見(jiàn)表1所示
　　bit7控制字節(jié)起始位，“1”有效，在此之間有，DIN上的“0”位均無(wú)效
　　bit6～bit4通道選擇位，設(shè)置采樣輸入腳
　　bit3單極/雙極選擇位，bit3=1時(shí)，為單極轉(zhuǎn)換模式，采樣信號(hào)輸入電壓范圍0～VREF；bit3=0時(shí)，雙極轉(zhuǎn)換模式，輸入電壓-VREF/2～+VREF/2
　　bit2單端/差動(dòng)選擇位，bit2=1時(shí)，輸入電壓CMOS端作比較，bit2=0時(shí)，輸入電壓為所測(cè)兩電壓之差
　　bit1 bit0bit1=0、bit0=0時(shí)，為全掉電模式，bit1=0、bit0=1時(shí)，速掉電模式（僅適合于MAX146），bit1=1、bit0=0時(shí)，為內(nèi)部時(shí)鐘模式，bit1=1、bit0=1為外部時(shí)鐘模式
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　　MAX147具體軟件步驟如下：
　?。?）送控制命令字：1XXX1111輸入信號(hào)為單極性且單端輸入，選擇外部始終模式，XXX為通道選擇
　?。?）CPU將片選信號(hào)CS拉低
　?。?）發(fā)送控制字，同時(shí)接收一個(gè)字節(jié)，但將接收的字節(jié)忽略
　?。?）發(fā)送0x00，同時(shí)接收第二個(gè)字節(jié)
　?。?）發(fā)送0x00，同時(shí)接收第三個(gè)字節(jié)
　?。?）CPU將CS拉高
　　第二和第三個(gè)接收字節(jié)包含了MAX147的轉(zhuǎn)換結(jié)果為避免T/H的過(guò)多衰減，應(yīng)保證其全部轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)120μs
　　3. TMS320VC5402的McBSP
　　3.1 McBSP的特點(diǎn)
　　TMS320VC5402有兩個(gè)多通道緩沖串口（MCBSP0和MCBSP1），通過(guò)幀信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)流獨(dú)立的接收、發(fā)送幀和時(shí)鐘信號(hào)；雙倍的發(fā)送緩沖和三倍的接收緩沖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；可直接與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編碼器、模擬界面芯片、其它串行A/D、D/A器件連接；具有外部移位時(shí)鐘 發(fā)生器及內(nèi)部頻率可編程移位時(shí)鐘；可直接利用多種串行協(xié)議接口通信，如SPI、T1/E1，MVIP，AC97等；發(fā)送和接收通道數(shù)最多可以到達(dá)128路；寬范圍的數(shù)據(jù)格式選擇，包括8、12、16、20、24、32位字長(zhǎng)；利用μ律和A律的壓縮擴(kuò)展通信；8位數(shù)據(jù)發(fā)送的高位、低位先發(fā)送可選；幀同步和時(shí)鐘信號(hào)的極性可編程；可編程內(nèi)部時(shí)鐘和幀同步信號(hào)發(fā)生器
　　3.2 MCBSP的工作方式
　　McBSP的工作方式有以下幾種：多通道緩沖模式、SPI工作模式，A-bit模式、數(shù)字回路模式、GPIO模式和省電模式McBSP的外部管腳為：串行數(shù)據(jù)接收管腳DR、接收時(shí)鐘管腳CLKR、接收幀同步信號(hào)管腳FSR、發(fā)送時(shí)鐘管腳CLKX、串行數(shù)據(jù)發(fā)送管腳DX、發(fā)送幀同步信號(hào)管腳FSXMCBSP的工作原理是：發(fā)送時(shí)，先寫(xiě)數(shù)據(jù)于數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR［1，2］，再在發(fā)送時(shí)鐘CLKX和幀同步發(fā)送信號(hào)FSX控制下，通過(guò)發(fā)送移位寄存器XSR［12］將數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)送引腳DX移出發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時(shí)，在接收時(shí)鐘CLKR和幀同步發(fā)送信號(hào)FSR控制下，將通過(guò)接受引腳DR接收的數(shù)據(jù)移入接收移位寄存器RSR［12］并復(fù)制這些數(shù)據(jù)到接收緩沖寄存器RBR［12］再?gòu)?fù)制到DRR［12］最后由CPU或DMA控制器讀出這個(gè)過(guò)程允許內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)通信同時(shí)進(jìn)行如果接收或發(fā)送字長(zhǎng)R/XWDLEN被指定為8，12或16模式時(shí)，DRR2、RBR2、RSR2、DXR2、XSR2等寄存器不能進(jìn)行寫(xiě)、讀、移位操作
　　4. MAX147與TMS320VC5402的接口電路
　　MAX147芯片兼容SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議SPI協(xié)議具有主從模式，使用4 條信號(hào)線：1） 串行時(shí)鐘信號(hào)線（SCK） ;2） 主機(jī)輸入/ 從機(jī)輸出串口數(shù)據(jù)線（MISO） ;3） 主機(jī)輸出/ 從機(jī)輸入串口數(shù)據(jù)線（MOSI） ;4） 低電平有效的使能信號(hào)線（SS） TMS320C54XX提供的時(shí)鐘停止模式可用于SPI 協(xié)議通信當(dāng)McBSP 被配置為時(shí)鐘停止模式時(shí)發(fā)送器和接收器在內(nèi)部是同步的因此可以將McBSP 作為SPI 主設(shè)備或從設(shè)備當(dāng)設(shè)置McBSP為SPI 主設(shè)備時(shí)發(fā)送端輸出信號(hào)（BDX） 就作為SPI 協(xié)議中MOSI 信號(hào)接收端輸入信號(hào)（BDR） 則被用作MISO 信號(hào)發(fā)送數(shù)據(jù)幀同步脈沖信號(hào)（BFSX） 用作設(shè)備片選信號(hào)（即SS） 而發(fā)送數(shù)據(jù)位時(shí)鐘信號(hào)（BCLKX） 用作SPI 協(xié)議中SCK由于收數(shù)據(jù)位時(shí)鐘（BCLKR） 和接收數(shù)據(jù)幀時(shí)鐘（BFSR） 在內(nèi)部與BFSX 和BCLKX是相連的因此這些信號(hào)不用于SPI 模式TMS320VC5402與MAX147接口電路如圖
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　　5. 接口程序設(shè)計(jì)
　　DSP的McBSP工作在SPI模式下，需要進(jìn)行以下初始化步驟：
　　1）將SPCR寄存器中的XRST和RRST清零，復(fù)位發(fā)送器和接收器；
　　2）McBSP保持復(fù)位狀態(tài)，設(shè)置相關(guān)寄存器，CLKSTP=0X，禁止時(shí)鐘停止模式；
　　3）置SPCR寄存器中的GRST=1，采用率發(fā)生器退出復(fù)位，開(kāi)始工作；
　　4）等待兩個(gè)時(shí)鐘周期，確保初始化過(guò)程中McBSP內(nèi)部正確同步；
　　5）設(shè)置所需的CLKSTP值；
　　6）若CPU訪問(wèn)McBSP，則XRST=RRST=1使能發(fā)送器和接收器，SPCR寄存器中其它位不變，若DMAC訪問(wèn)McBSP，先進(jìn)行DMA初始化，啟動(dòng)DMA，使之等待同步事件，然后XRST=RRST=1McBSP退出復(fù)位狀態(tài)；
　　7）等待兩個(gè)時(shí)鐘周期以確保McBSP內(nèi)部邏輯穩(wěn)定
　　將McBSP配置成SPI模式主機(jī)模式的程序如下所示：
　　STM SPCR1 SPSA0
　　STM 0000H SPSD0 ; 串行接口接收器被禁止并且處于復(fù)位狀態(tài)
　　STM SPCR2 SPSA0
　　STM 0000HSPSD0 ; 串行發(fā)送接收器被禁止并且處于復(fù)位狀態(tài)
　　STM RCR1 SPSA0
　　STM 0020HSPSD0 ;接收幀長(zhǎng)度為12bit
　　STM RCR2 SPSA0
　　STM 0021HSPSD0 ;第一個(gè)接收幀同步脈沖之后的幀同步脈沖被忽略
　　STM XCR1 SPSA0
　　STM 0000HSPSD0 ;發(fā)送幀長(zhǎng)度為8bit
　　STM XCR2 SPSA0
　　STM 0001HSPSD0 ;第一個(gè)發(fā)送幀同步脈沖之后的幀同步脈沖被忽略
　　STM SRGR1 SPSA0
　　STM 0009H SPSD0 ; CLKGDV=9CLKG=1MHz
　　STM SRGR2 SPSA0
　　STM 20FFHSPSD0 ;采樣率發(fā)生器時(shí)鐘由CPU時(shí)鐘提供
　　STM PCR SPSA0
　　STM 0A7FHSPSD0 ; FSXCLKX輸出FSRCLKR輸入
　　STM SPCR1 SPSA1
　　STM 1801hSPSD1 ;使McBSP處于時(shí)鐘停止模式并使能接收器
　　STM SPCR2 SPSA1
　　ORM #00C1HSPSD1 ;使能發(fā)送器，幀同步發(fā)生器，采用率產(chǎn)生器
　　RPT #2
　　NOP
　　中斷服務(wù)程序：
　　AD_RECV： SSBX SXM
　　AND #0FFFCHa ;存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)
　　RSBX SXM
　　RETE
　　結(jié)束語(yǔ)
　　本文詳細(xì)介紹了ADC芯片MAX147與TI公司的數(shù)字處理器TMS320C5402之間的串行接口電路設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，接口電路簡(jiǎn)單方便，程序采用匯編語(yǔ)言編程，運(yùn)行穩(wěn)定，速度快，適用于語(yǔ)音處理，聲波振動(dòng)信號(hào)采集，具有較高的實(shí)用價(jià)值及廣泛的應(yīng)用前景
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