基于AD7864和DSP的4路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
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引言
在陣列信號處理中，往往需要對多個陣元同時進(jìn)行采樣，以保留接收到的各路信號之間的相位信息。對于一個四元十字陣，就需要對4路信號同時進(jìn)行采樣，以便在隨后的處理中解算出各路信號之間的時延關(guān)系。在這個過程中，高速率和高精度的a/d轉(zhuǎn)換就顯得尤為重要，它直接影響著隨后的數(shù)字處理結(jié)果的精度。ad7864是一種高速、低功耗、可以4通道同時采樣的a/d轉(zhuǎn)換器。它的主要特性有：高速12位a/d轉(zhuǎn)換器；同時采樣4個輸入通道，并具有4個采樣、保持放大器；0.35ms采樣保持獲取時間，每一個通道轉(zhuǎn)換時間1.65ms；可以通過軟件或者硬件的方法選取用于采樣的通道；單電源供電(+5v)；多個轉(zhuǎn)換電壓范圍；具有高速并行接口，可以與處理器直接連接；低功耗，每通道功耗90mw；對于每一個模擬輸入通道均有過壓保護(hù)電路。ad7864
4通道同時工作時，最大采樣率可以高達(dá)130khz。
dsp與ad7864的接口電路
ad7864具有片內(nèi)時鐘、讀寫允許邏輯、多種通道選擇方式以及內(nèi)部精確的2.5v參考電壓，這使得其與高速處理器的接口變得非常簡單?？紤]到實際工程中要求的工作電壓、轉(zhuǎn)換精度以及系統(tǒng)硬件設(shè)計的便利等因素，在硬件系統(tǒng)中選用ad7864-1。dsp選用ti公司的tms320c5409。
ad7864轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀取有兩種方法，即轉(zhuǎn)換中讀取數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換中讀取數(shù)據(jù)是在下一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束之前讀取前一個通道的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)是在全部通道均轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才讀取數(shù)據(jù)。在此硬件系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)換后讀取數(shù)據(jù)的方式。其具體工作過程如下：
當(dāng)轉(zhuǎn)換起始信號有效時(上升沿)，所有采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)，開始對選擇的通道采樣。busy輸出信號在轉(zhuǎn)換起始信號上升沿時被觸發(fā)為高電平，并在轉(zhuǎn)換過程中一直保持為高，當(dāng)全部通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才變?yōu)榈碗娖?。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號在被選擇的通道中每一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束時均有效。各個通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)保存在ad7864內(nèi)部相應(yīng)的鎖存器中。所有通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，當(dāng)讀信號和片選信號有效時，就可以并行地從數(shù)據(jù)總線上讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取時，按照轉(zhuǎn)換順序進(jìn)行讀取，每次讀取后自動修改內(nèi)部鎖存器指針(指向存放下一個轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)據(jù)鎖存器)。當(dāng)所有通道數(shù)據(jù)均讀取后，內(nèi)部鎖存器指針自動復(fù)位(指向存放第一個轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)據(jù)鎖存器)。
根據(jù)上述ad7864的工作原理，dsp與ad7864的接口電路如圖1所示。
ad7864的軟硬選擇信號/s sel置低，這時被選擇的轉(zhuǎn)換通道就由硬件通道信號的狀態(tài)來決定，由于需要對4路信號進(jìn)行采樣，所以把全部置高，即4路通道全部選通。
dsp與ad7864具體邏輯控制關(guān)系由cpld來完成。cpld部分邏輯關(guān)系圖如圖2。
ad7864的12位數(shù)據(jù)線db0-db11經(jīng)過緩存與dsp數(shù)據(jù)線的低12位d0-d11相連，dsp另外高4位則始終為邏輯低；對于正數(shù)，這種數(shù)據(jù)擴展不會產(chǎn)生影響，而對于負(fù)數(shù)，則需要在軟件上進(jìn)行一定的處理。dsp的通用i/o引腳xf接到ad7864的引腳，xf信號由軟件控制來啟動ad7864的模數(shù)轉(zhuǎn)換。dsp的i/o空間選擇信號引腳和地址線a15的邏輯組合作為ad7864的片選信號。當(dāng)有效，即為低電平時，如果地址線a15為低，則ad7864被片選。此時可以對ad7864進(jìn)行讀寫操作，ad7864的地址為#
7fff。dsp讀寫信號rw 和ad7864的片選信號的組合作為ad7864的讀信號。當(dāng)ad7864被片選，且rw為高時，就可以從ad7864讀取數(shù)據(jù)，此時ad7864的寫信號必須為高電平。dsp的存儲器選通信號和讀信號經(jīng)過邏輯與后作為緩存的使能信號，分別控制dsp外部程序和a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從緩存中送到dsp的數(shù)據(jù)總線上去。
圖1 dsp與ad7864的接口電路
圖2 cpld內(nèi)部控制邏輯電路 軟件設(shè)計
dsp采樣程序設(shè)計采用c和匯編語言混合編程的方式。tms320c54x編譯器可以利用asm語句將c54xdsp的匯編語言指令或偽指令直接嵌入編程器輸出的匯編語言文件中。asm語句提供了c/c++語言不能提供的對dsp硬件的訪問。利用asm語句拉低拉高xf引腳的輸出信號來啟動ad7864的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換起始信號保持低電平的時間最少為35ns，整個轉(zhuǎn)換過程所用的時間t為：t=x(tconv+t9)-t9；其中，x為通道數(shù)，tconv為單通道轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)用內(nèi)部時鐘時，其最大值為1.65ms，t9為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號的脈沖寬度，最小值為75ns，最大值為180ns。同樣利用asm語句執(zhí)行匯編重復(fù)指令rpt，重復(fù)執(zhí)行空操作nop，達(dá)到比較精確的軟件延時目的，這樣做便于在滿足基本轉(zhuǎn)換時間的前提下，調(diào)節(jié)采樣率的大小。4路信號全都完成轉(zhuǎn)換模數(shù)后，dsp就可以從地址# 7fff依次讀取4路數(shù)據(jù)，在兩次讀取數(shù)據(jù)的過程中，需要一定的時間間隔。在讀取完4路數(shù)據(jù)到下一次轉(zhuǎn)換開始之間有一段靜止時間，一般為50ns到100ns。
此外，dsp數(shù)據(jù)線有16位，而ad7864只有12位，并且數(shù)值都是以補碼表示的，由于在硬件處理中把送到dsp數(shù)據(jù)線高4位上的數(shù)據(jù)都置為0，所以對于ad7864送給dsp的負(fù)數(shù)，要想在dsp中表示正確，還需要進(jìn)行符號位擴展。具體辦法就是對ad7864送給dsp的數(shù)據(jù)和0x800進(jìn)行按位與運算，如果為真，則表示此數(shù)為負(fù)數(shù)，把此數(shù)和0xf000進(jìn)行按位或運算，即在此數(shù)的高4位補上全1，這樣負(fù)數(shù)就能在dsp中正確表示了。
結(jié)語
筆者利用ad7864和dsp，設(shè)計了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能對4路模擬信號同時進(jìn)行采樣，采樣率能由dsp程序調(diào)節(jié)，采樣后的數(shù)據(jù)送往dsp進(jìn)行實時處理，在實際陣列信號處理中達(dá)到了滿意的效果。
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