多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7890與DSP的接口設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，對(duì)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(gè)伺服系統(tǒng)時(shí)，對(duì)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(guān)與單通道A／D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)，效率較低，使用模擬開關(guān)帶來的噪聲也比較嚴(yán)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(yīng)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(shí)間僅為5．9μs)、高速靈活的串行接口、多通道等優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)的外設(shè)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的平臺(tái)，它所提供的SPI接口通常用于DSP處理器和外部設(shè)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(zhǎng)度可編程(1～16 b)，并能同時(shí)進(jìn)行接收和發(fā)送操作，通常用于DSP處理器和外部外設(shè)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(jìn)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(shí)鐘模式(作為從設(shè)備)，還是內(nèi)部時(shí)鐘模式(作為主設(shè)備)。當(dāng)SMODE置于高電平時(shí)，器件工作在外部時(shí)鐘模式，由主設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)SCLK和接收幀同步信號(hào)RFS，AD7890可接收的最大串行時(shí)鐘頻率達(dá)10 MHz；當(dāng)SMODE置于低電平時(shí)，器件工作在內(nèi)部時(shí)鐘模式，自身提供時(shí)鐘信號(hào)SCLK和接收幀同步信號(hào)RFS，其時(shí)鐘頻率由CLK引腳輸入時(shí)鐘頻率決定。本文以DSP作為主控制器，AD7890作為從設(shè)備，由DSP的SPI口提供串行時(shí)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(hào)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(gè)SCLK脈沖才能完成對(duì)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(hào)=4A2+2A1+A2+1。發(fā)送數(shù)據(jù)的第5個(gè)SCLK脈沖下降沿過后的數(shù)據(jù)均為無效數(shù)據(jù)。控制字寫入寄存器后，器件即啟動(dòng)內(nèi)部延時(shí)脈沖，保證在轉(zhuǎn)換開始前跟蹤／保持器有足夠的時(shí)間來完成轉(zhuǎn)換通道的建立和切換。該延時(shí)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(cè)試，此時(shí)延時(shí)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(shí)CEXT，引腳電平由低變高，電容在第6個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿開始放電，電壓降低至2．5 V以下時(shí)內(nèi)部延時(shí)脈沖結(jié)束，同時(shí)A／D轉(zhuǎn)換開始，5．9μs后轉(zhuǎn)換結(jié)束。若此時(shí)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(shí)間的關(guān)系。

2 AD7890工作時(shí)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(gè)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(shí)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(shí)，在CONVS麗上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，此時(shí)必須保證內(nèi)部延時(shí)脈沖已經(jīng)結(jié)束；對(duì)于軟件控制，內(nèi)部延時(shí)脈沖結(jié)束時(shí)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(shí)，6個(gè)寫操作時(shí)鐘脈沖結(jié)束前，發(fā)送幀同步信號(hào)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(hào)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(shí)進(jìn)行。以DSP作為主設(shè)備，AD7890作為從設(shè)備，即工作在外部時(shí)鐘模式下，此時(shí)讀、寫操作時(shí)序分別如圖2所示。DSP的SPISTE麗引腳具有從設(shè)備片選功能，該引腳為低時(shí)可向從設(shè)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(hào)來控制RFS和TFS。

3 AD7890與TMS320F2812的SPI接口硬件實(shí)現(xiàn)

TMS320F2812是TI公司推出的數(shù)字信號(hào)處理器，它在電機(jī)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(yīng)用。它所提供的串行外設(shè)接口(SPI)是一個(gè)高速同步的串行輸入／輸出口，包含4個(gè)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(shí)鐘引腳(SPICLK)。SPI主要特點(diǎn)是可以同時(shí)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)；可以當(dāng)作主機(jī)或從機(jī)工作；提供頻率可編程時(shí)鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標(biāo)志。

確定DSP的低速外設(shè)時(shí)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(jì)算方法是：當(dāng)SPIBRR=3～127時(shí)，SCLK=LSPCLK／(SPIBRR+1)；當(dāng)SPIBRR=0，1，2時(shí)，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(shí)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(shí)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。