多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

　　在信號(hào)處理領(lǐng)域，DSP技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于DSP的信號(hào)采集處理平臺(tái)不斷出現(xiàn)。常見(jiàn)的DSP信號(hào)采集處理平臺(tái)利用總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，總線(xiàn)上多個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常相互沖突。ADI公司的Tiger SHARCl01型DSP(簡(jiǎn)稱(chēng)TSl01)只有總線(xiàn)和鏈路口可以與外設(shè)通信，基于緩解總線(xiàn)沖突的目的，筆者設(shè)計(jì)了一種以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為數(shù)據(jù)接口緩沖器，避開(kāi)總線(xiàn)，經(jīng)TSl01的鏈路口將多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)傳送到TSl01。由FPGA完成多個(gè)多路A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)的緩沖排序，并形成符合TSl01鏈路口傳輸協(xié)議的數(shù)據(jù)流，送到TSl01的鏈路口。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鏈路口與其他非鏈路口外部設(shè)備的通信。減少了TSlOl總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)傳輸量，緩解了總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。

　　2 ADS8361型A/D轉(zhuǎn)換器

　　ADS8361是TI公司生產(chǎn)的雙通道、四路、模擬差分輸入、16 bit同步采樣串行A/D轉(zhuǎn)換器。4路模擬差分輸入分成2組，每組各有1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，可同時(shí)采樣；對(duì)每個(gè)輸入最快可以實(shí)現(xiàn)500 ks/s的采樣率，即2 μs就完成1次A/D采樣。采樣后的數(shù)據(jù)由串行接口輸出

　　，這對(duì)于具備同步串行接口的大多數(shù)DSP是非常有用的，DSP的總線(xiàn)可以?huà)旖佣喾N其他設(shè)備，在高速連續(xù)采樣的過(guò)程中，DSP的串口和總線(xiàn)可以互不影響地獨(dú)立工作。

　　ADS8361在采樣頻率率為50 kHz時(shí)，有80 dB的共模抑制，這在強(qiáng)噪聲環(huán)境中非常重要。ADS8361需要模擬電壓和數(shù)字電壓分別供電，考慮到與外部電路的匹配，所以模擬部分選擇5 V供電，數(shù)字部分與DSP的I/O電壓一致，選擇3.3 V供電。工作時(shí)既可以使用內(nèi)部2.5 V參考電壓，也可以由外部提供參考電壓。差分模擬輸入信號(hào)的電壓范圍為±2.5V。ADS8361采用SSOP-24封裝。CS引腳是ADS8361的片選；Ml、M0、AO引腳用于選擇采樣通道和數(shù)據(jù)通道；RD引腳為讀取數(shù)據(jù)引腳，CONVST引腳是A/D轉(zhuǎn)換脈沖，在使用中應(yīng)將RD與CON-VST引腳相連；CLOCK引腳用于輸入采樣時(shí)鐘(與下文中FPGA輸出的ADCLK相連)；2個(gè)通道的數(shù)據(jù)輸出引腳分別為SERIAL DATA A和SERIALDATA B，每次轉(zhuǎn)換輸出16 bit數(shù)據(jù)。ADS8361的工作時(shí)鐘最大值為10MHz，高電平和低電平至少各40 ns。

　　3 TSl01的鏈路口及傳輸方式

　　TSl01是高性能128 bit浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其運(yùn)算能力很強(qiáng)(18億次/秒)，而外部總線(xiàn)吞吐能力相對(duì)不足(若外部頻率為100 MHz，則外部總線(xiàn)傳輸速度為800 MB/s)，當(dāng)外設(shè)較多時(shí)很容易形成I/O瓶頸。不過(guò)它有四個(gè)高速鏈路口，每個(gè)鏈路口的傳輸速度極限為250 MB/s，適合TSl01之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速傳輸，也可與其相同協(xié)議的外設(shè)通信，從而大大緩解了總線(xiàn)壓力。

　　TSl01的每個(gè)鏈路口由發(fā)送器和接收器兩部分組成，每部分都有128 bit的移位寄存器和128 bit的緩沖寄存器，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。每個(gè)鏈路口均有8 bit數(shù)據(jù)線(xiàn)和LxCLKIN、LxCLKOUT和LxDIR(x為鏈路口序號(hào)0-3)3個(gè)控制引腳，可支持多片TSl01處理器間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳送，也可以用于與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中LxDIR用來(lái)指示鏈路口的數(shù)據(jù)流向。LxCLKIN和LxCLKOUT為鏈路口的時(shí)鐘/確認(rèn)握手信號(hào)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，LxCLKOUT為時(shí)鐘信號(hào)，LxCLKIN為確認(rèn)信號(hào)；接收數(shù)據(jù)時(shí)，LxCLKIN為時(shí)鐘信號(hào)，LxCLKOUT為確認(rèn)信號(hào)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先傳輸4字?jǐn)?shù)據(jù)到鏈路發(fā)送緩沖寄存器LBUFTx，再將其復(fù)制到移位寄存器(若移位寄存器為空，此時(shí)LBUFTx可被寫(xiě)入新的數(shù)據(jù))，然后以字節(jié)的形式發(fā)送(先發(fā)送低字節(jié))，每個(gè)字節(jié)在鏈路時(shí)鐘的上升沿和下降沿被驅(qū)動(dòng)和鎖存。接收器的移位寄存器為空時(shí)，系統(tǒng)將開(kāi)始接收發(fā)送方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并將其送入移位寄存器，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LxCLKOUT為低電平。當(dāng)整個(gè)4字接收完畢后，如果接收緩沖寄存器LBUFRx為空，系統(tǒng)會(huì)將4字?jǐn)?shù)據(jù)從移位寄存器復(fù)制到LBUFRx，并在數(shù)據(jù)被復(fù)制后驅(qū)動(dòng)其Lx-CLKOUT為高電平，以告訴發(fā)送方接收緩沖寄存器為空，可以準(zhǔn)備接收新數(shù)據(jù)。發(fā)送方檢測(cè)到Lx-CLKIN為高電平后立即進(jìn)行下次傳輸。

　　常見(jiàn)的啟動(dòng)鏈路傳輸數(shù)據(jù)的方法有二種：利用TSl01的IRQ中斷啟動(dòng)和利用鏈路中斷啟動(dòng)。鏈路傳輸以DMA方式進(jìn)行，DMA方式是在TSl01內(nèi)核不干預(yù)的情況下，后臺(tái)通過(guò)鏈路口高速傳送數(shù)據(jù)的機(jī)制。從外部設(shè)備向鏈路口傳送數(shù)據(jù)，實(shí)際上是鏈路口把外部設(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到TSlOl的內(nèi)、外存儲(chǔ)器中，也可以經(jīng)其他鏈路口轉(zhuǎn)發(fā)出去。對(duì)鏈路口及其DMA寄存器進(jìn)行正確的設(shè)置后就可以設(shè)置TCB塊。DMA啟動(dòng)后，一旦鏈路緩沖器未滿(mǎn)，它將向外部設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)。這時(shí)，如果DMA可以占用內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)，那么，系統(tǒng)便可將數(shù)據(jù)從鏈路口傳送到存儲(chǔ)器中。

4 數(shù)據(jù)采集的硬件設(shè)計(jì)

　　TSIOI是運(yùn)算能力強(qiáng)但與外部連接資源相對(duì)少的一類(lèi)DSP，在多個(gè)TSl01級(jí)連的系統(tǒng)中，如果利用總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換器通常需要長(zhǎng)時(shí)間占用總線(xiàn)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)爭(zhēng)占總線(xiàn)的問(wèn)題，從而導(dǎo)致信號(hào)采集處理出現(xiàn)總線(xiàn)瓶頸，利用鏈路口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可以很大程度地釋放總線(xiàn)資源。本應(yīng)用中需要對(duì)10路模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行500 kHz的采樣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率為lOx0.5 MBx2=10 MB/s250 MB/s。

　　TSl01通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它的鏈路口作為數(shù)據(jù)輸入口。它們的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示，將鏈路口的LxCLKIN直接和FPGA連接，由FPGA驅(qū)動(dòng)，在FPGA向鏈路口傳送數(shù)據(jù)時(shí)作為鏈路口的時(shí)鐘輸入。LxDIR和LxCLKOUT可以懸空，鏈路口的8條數(shù)據(jù)線(xiàn)接到FPGA上。

　　設(shè)計(jì)中將每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的M1、NO、A0引腳接地，僅取用每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的2個(gè)模擬差分輸入——AO和B0通道，2個(gè)通道可以在2μs之內(nèi)同時(shí)完成1次采樣。本

　　5 數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分包括TSl01軟件設(shè)計(jì)和FPGA軟件設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA軟件設(shè)計(jì)采用VHDL實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　FPGA的主要操作是將5個(gè)ADS8361的10路串行采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成20個(gè)8 bit數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)鎖存，同時(shí)產(chǎn)生鏈路時(shí)鐘，將鎖存后的數(shù)據(jù)發(fā)送到TSl01鏈路口。需要實(shí)現(xiàn)的時(shí)序如圖4所示，其中CLOCK是TSlOl外部時(shí)鐘，ADCLK是ADS8361的工作時(shí)鐘，是CLDCK的5分頻，占空比為60％，CONVST與RD相連接，LINKCLK是鏈路時(shí)鐘，LINKDATA是鏈路數(shù)據(jù)。

　　使用鏈路傳輸時(shí)，TSl01在鏈路時(shí)鐘的上升沿和下降沿都鎖存數(shù)據(jù)，20個(gè)8 bit數(shù)據(jù)需要lO個(gè)鏈路脈沖，而鏈路口每次至少需要傳輸128 bit的數(shù)據(jù)，即至少需要8個(gè)脈沖，且發(fā)送數(shù)據(jù)需要的脈沖數(shù)必須為8的倍數(shù)。所以設(shè)計(jì)中每次通過(guò)鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)的脈沖數(shù)為16個(gè)，前10個(gè)傳輸A/D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)據(jù)，其后的6個(gè)脈沖發(fā)送0x55。發(fā)送到鏈路的數(shù)據(jù)是A/D轉(zhuǎn)換器上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果。TSl01可以設(shè)置鏈路口工作時(shí)鐘為內(nèi)核時(shí)鐘的2、3、4、8分頻，設(shè)計(jì)中TSl01外部時(shí)鐘CLOCK是50MHz，內(nèi)核時(shí)鐘是CLOCK的5倍頻即250 MHz，鏈路口接收數(shù)據(jù)時(shí)FPGA給TSIOI的鏈路時(shí)鐘LINKCLK是25 MHz TSl01鏈路口工作時(shí)鐘應(yīng)盡量接近鏈路時(shí)鐘LINKCLK，所以設(shè)置TSl01鏈路口工作時(shí)鐘為內(nèi)核時(shí)鐘的8分頻即31.25 MHz。

系統(tǒng)采用鏈路中斷方式接收FPGA送來(lái)的數(shù)據(jù)，鏈路中斷方式數(shù)據(jù)接收的程序如下：

6 A/D轉(zhuǎn)換器電路的設(shè)計(jì)和使用

　　設(shè)計(jì)高精度A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵是保證有效位數(shù)，ADS8361的輸入動(dòng)態(tài)范圍為：±2.5 V，每個(gè)量化單位對(duì)應(yīng)0.076 mV，因此應(yīng)設(shè)法降低噪聲和干擾。噪聲和干擾的來(lái)源主要有二種：一種是A/D轉(zhuǎn)換器自身的噪聲如量化噪聲等，另一種是周?chē)娐樊a(chǎn)生的噪聲干擾。前者是A/D轉(zhuǎn)換器固有的，后者的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前者，特別是電源、模擬/電路數(shù)字電路之間的干擾。ADS8361的差分輸入方式大大降低了共模干擾。設(shè)計(jì)中主要考慮如何在電路中減少其他噪聲和干擾。

　　電源設(shè)計(jì)是抑制噪聲的關(guān)鍵，本文介紹的設(shè)計(jì)具有多種電壓(模擬5 V、-5 V和數(shù)字3.3 V、1.2V等)并且是混合模擬和數(shù)字信號(hào)的板級(jí)設(shè)計(jì)，選擇合適的電源電路，合理地進(jìn)行電源層和地層的切割是很重要的。開(kāi)關(guān)電源具有體積小、效率高、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠很好地解決TSlOl的上電次序問(wèn)題，但紋波明顯。開(kāi)關(guān)頻率越高輸出電壓紋波越小，電路中選用的電感器在10μH~200 μH為宜，電路中可以使用ESR小、容值大的電容器構(gòu)成去耦電路，同時(shí)在板上放置多種電容器進(jìn)行濾波。

　　減少數(shù)字信號(hào)干擾也可以有效提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度，布板和布線(xiàn)時(shí)要使ADS8361模擬差分信號(hào)輸入?yún)^(qū)域盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)中盡量避免多個(gè)信號(hào)電平同時(shí)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)給A/D轉(zhuǎn)換器提供良好的工作時(shí)鐘，應(yīng)使用串聯(lián)終端法，串聯(lián)1只小電阻器可以很好減少時(shí)基抖動(dòng)，時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的布線(xiàn)越短越好，同時(shí)不要離數(shù)字信號(hào)太近，也不要靠近模擬區(qū)，否則會(huì)增加模擬區(qū)的噪聲。同時(shí)要注意單點(diǎn)共地，在共地的點(diǎn)上串接1個(gè)磁珠。設(shè)計(jì)中使用了多層板布局，在輕載情況下可以將輸出電壓紋波減到4mV。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　筆者設(shè)計(jì)一種通過(guò)TSl01鏈路口進(jìn)行多A/D轉(zhuǎn)換器多通道高精度數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方法，在DSP信號(hào)采集處理系統(tǒng)中可以不占用總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸和處理，有更高的實(shí)時(shí)性，同時(shí)探討了如何提高A/D轉(zhuǎn)換器精度的問(wèn)題。該設(shè)計(jì)方法已經(jīng)應(yīng)用于多種并行和串行A/D轉(zhuǎn)換電路中，具有通用性。