多通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7890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)部延時脈沖結束，同時A／D轉(zhuǎn)換開始，5．9μs后轉(zhuǎn)換結束。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)換結果更新輸出寄存器。至此，一次A／D轉(zhuǎn)換結束。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)結束；對于軟件控制，內(nèi)部延時脈沖結束時轉(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。