多通道模／数转换器AD7890与DSP的接口设计
多通道模／数转换器ad7890与dsp的接口设计
随着工业技术进步，对数字控制伺服系统中执行效率和集成化程度的要求越来越高。比如用单处理器控制多个伺服系统时，对多通道a／d转换的效率要求较高。以往较多地使用多路模拟开关与单通道a／d转换器来实现，效率较低，使用模拟开关带来的噪声也比较严重。在此，选用串行多通道a／d转换器ad7890与tms320f2812处理器的spi接口组成a／d转换模块，非常适合应用于多轴伺服系统。ad7890是一款8通道12位串行a／d转换器，具有高转换效率(转换时间仅为5．9μs)、高速灵活的串行接口、多通道等优点。其中，ad7890-10输入电压范围为-10～+10 v。tms320f2812处理器上集成了多种先进的外设，为实现电机及其他运动控制领域的应用提供了良好的平台，它所提供的spi接口通常用于dsp处理器和外部设备及其他处理器之间的通信。spi分主、从两种工作方式，数据长度可编程(1～16 b)，并能同时进行接收和发送操作，通常用于dsp处理器和外部外设以及其他处理器之间的通信，这使它能很方便地与ad7890采用主／从模式进行通信。
1 ad7890工作模式和原理
ad7890的smode引脚是工作模式控制输入端，它决定了器件是工作于外部时钟模式(作为从设备)，还是内部时钟模式(作为主设备)。当smode置于高电平时，器件工作在外部时钟模式，由主设备提供时钟信号sclk和接收帧同步信号rfs，ad7890可接收的最大串行时钟频率达10 mhz；当smode置于低电平时，器件工作在内部时钟模式，自身提供时钟信号sclk和接收帧同步信号rfs，其时钟频率由clk引脚输入时钟频率决定。本文以dsp作为主控制器，ad7890作为从设备，由dsp的spi口提供串行时钟。
ad7890通过片内高速双向串行数据接口接收控制字和输出转换结果。通过向控制寄存器写数据可以确定转换通道、转换开始信号等信息。其控制寄存器包含5位数据，因此至少需要6个sclk脉冲才能完成对寄存器的写操作。其中，a2，a1，a0分别为通道地址选择最高位、次高位、最低位。通道选择算法为：通道号=4a2+2a1+a2+1。发送数据的第5个sclk脉冲下降沿过后的数据均为无效数据。控制字写入寄存器后，器件即启动内部延时脉冲，保证在转换开始前跟踪／保持器有足够的时间来完成转换通道的建立和切换。该延时脉冲宽度取决于引脚电容的cext值。一般引脚电容值取cext、120 pf或200 pf。据测试，此时延时脉冲宽度分别约为7．oμs和9．6μs。向控制寄存器写数据时cext，引脚电平由低变高，电容在第6个时钟脉冲的下降沿开始放电，电压降低至2．5 v以下时内部延时脉冲结束，同时a／d转换开始，5．9μs后转换结束。若此时串行读操作已完成，且rfs已变高为高电平，则用新的转换结果更新输出寄存器。至此，一次a／d转换结束。图1为ad7890工作原理图，从示波器获取的图片显示了cext引脚电平、sclk脉冲与a／d转换过程时间的关系。
2 ad7890工作时序与读写操作方法
控制ad7890的转换开始有两种方法。一是，硬件控制，即将convst引脚置低，器件产生一个窄低电平脉冲，在脉冲的上升沿a／d转换开始，前提是须向conv位写0；二是，软件控制，即向控制寄存器的conv位写1，此时convst引脚不起作用。二者区别在于，采用硬件控制转换开始时，在convs丽上升沿启动转换，此时必须保证内部延时脉冲已经结束；对于软件控制，内部延时脉冲结束时转换立即开始。需要说明的是，在向控制寄存器写数据时，6个写操作时钟脉冲结束前，发送帧同步信号tfs必须保持低电平，否则写操作不能成功。而读取a／d转换结果期间，接收帧同步信号rfs必须保持低电平。rfs和tfs连在一起，使spi口的读、写操作同时进行。以dsp作为主设备，ad7890作为从设备，即工作在外部时钟模式下，此时读、写操作时序分别如图2所示。dsp的spiste丽引脚具有从设备片选功能，该引脚为低时可向从设备发送数据，文中将该引脚作为通用收、发帧同步信号来控制rfs和tfs。
3 ad7890与tms320f2812的spi接口硬件实现
tms320f2812是ti公司推出的数字信号处理器，它在电机控制方面性能优越，使其在工业控制中得到了非常广泛的应用。它所提供的串行外设接口(spi)是一个高速同步的串行输入／输出口，包含4个外部引脚：从输出／主输入引脚(spisomi)、从输入／主输出引脚(spisimo)、从发送使能引脚(spiste)、串行时钟引脚(spiclk)。spi主要特点是可以同时发送和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志。
确定dsp的低速外设时钟lspclk后，通过波特率控制寄存器spibrr，确定波特率sclk。波特率具体计算方法是：当spibrr=3～127时，sclk=lspclk／(spibrr+1)；当spibrr=0，1，2时，sclk=lspclk／4，因此共具有125种可编程波特率。文中，dsp的工作频率为120 mhz，低速时钟lspclk为30 mhz，故可编程波特率范围为234．375 kb／s～7．5 mb／s。通过提高系统低速时钟，可以提高可编程波特率范围；通过选较高的波特率，能提高数据传输速率，即提高a／d的转换效率。ad7890-10与tms320一f2812的spi接口硬件连接框图如图3所示。
由于ad7890-10数据电平为5 v，而tms320f2812的i／o所能承受的电压最高为3．3 v，因此必须对a／d转换结果进行电平转换，将其转换为i／0口可承受的电压。把5 v电平转为3．3 v电平有多种方法。常用的有两种。一是选用专门的电平转换器件，如ti公司的sn74i．vthl6245；二是把a／d转换结果通过系统中cpld的i／o口再输出到dsp，前提是所选cpld可承受输入电压为5 v，而输出为3．3 v。本文采用后一种方法，选用的是altera公司的epm7128st1100-10，给cpld的i／o口供3．3 v电源即可满足要求。将a／d数据通过一个cpld的一个i／o口转接，经软件进行逻辑处理后输出至dsp即可。需要注意的是，为避免噪声干扰，ad7890的所有未用引脚不能悬空，必须接可承受范围内的固定电平。实验表明，特别是clkin引脚不能悬空，否则可能导致a／d转换不能成功。对于ad7890-10，当未使用的输入通道电压值低于-12 v时会对所选其他通道的转换造成严重干扰。文中采取的方法是将外部时钟输入引脚sclk与内部时钟输入引脚clkin相连，可以有效去除干扰。
4 软件读写实现
对于spi接口而言，数据与串行时钟脉冲是同时产生的，即只有数据线上有数据传送时才产生时钟脉冲。所以发送控制数据结束后，dsp收到的数据并不是真实的a／d转换结果，但需要读取接收缓冲寄存器数据使spi复位。多次实验表明，对于单次a／d转换，在转换结束后需要再向ad7890发送2次空控制数据0x0000，之后dsp的spi接收缓冲寄存器中的数据才是正确的a／d转换结果，即每次a／d采样循环需要进行三次数据交换才能得到有效a／d转换数据。采用查询方式判断数据是否发送结束，即spi状态寄存器spiint flag位为1时表示已完成数据发送。软件实现a／d转换的流程框图如图4所示。
对于ad7890-10，a／d转换结果数据为二进制补码格式，且包含通道数据，因此读取结果后应根据需要对数据进行适当处理，包括屏蔽通道选择数据和进行码制转换等，以便换算成系统所需要的数字量。为便于处理，将-10～+10 v电压对应的码值转换为0～4 096。文中处理方法为：将转换结果高四位通道数据屏蔽后，若a／d输入为正电压，则获取低12位结果与0x0800相加得到处理后的数据；若a／d输入为负电压，则将补码转换成原码后与0xf800作差获取处理结果。
经多次测试，得到a／d转换子程序运行时间(即一次a／d转换总耗时)与波特率对应关系如表1所示。
从表1中可以看出，为提高转换效率，应在可承受范围内选择尽可能高的波特率，但不应超过ad7890-10的上限值10 mb／s。对文中spi接口的实际应用表明，a／d转换性能非常稳定，效率较高，转换精度高，误差仅为±1码，约4．88 mv。
5 结 语
用dsp的串行外设接口spi与串行多通道a／d转换器ad7890组成数字伺服系统a／d转换功能实现模块，能完成8个通道模拟量到数字量的转换，效率较高，接口简单，性能稳定。通过选择较高的波特率可以缩短数据传输时间，提高a／d转换效率。当dsp提供的外部时钟sclk为ad7890所能承受的最高值10 mhz时，单个通道彻底完成一次a／d转换仅需12．4μs。本文所做的接口设计为多轴数字控制系统的a／d转换模块提供了一种实用的选择与参考。
清华大学微电子所所长魏少军教授到福联公司调研
二极管升压电路分析
基于Hi3510的H.264编解码器的设计与实现
高度集成的电源IC应用
LED显示屏分类
多通道模／数转换器AD7890与DSP的接口设计
MW7299国内最新唯一USB 2.0 HUB+PD集成芯片，线材扩展坞多方案应用
绿米完成由赛博联合基金领投、云沐资本跟投的战略融资
回流焊常见的质量缺陷及解决方法
稳压管2cw231参数
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240年前竟有如此惊人杰作！由6000多个手工制作的零件拼装而成的自动机，还可书写句子和词语
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关于距离计算的总结
高通获得许可与华为恢复业务往来
基于机器翻译增加的跨语言机器阅读理解算法
基于CC2530的无线路灯节能智能监控系电路设计
从时序角度来探讨不同类型的源同步协议技术分析
如何选择音质好的音响
dfrobot耐高温硅胶高压线10AWG6平方毫米简介
随着工业技术进步，对数字控制伺服系统中执行效率和集成化程度的要求越来越高。比如用单处理器控制多个伺服系统时，对多通道a／d转换的效率要求较高。以往较多地使用多路模拟开关与单通道a／d转换器来实现，效率较低，使用模拟开关带来的噪声也比较严重。在此，选用串行多通道a／d转换器ad7890与tms320f2812处理器的spi接口组成a／d转换模块，非常适合应用于多轴伺服系统。ad7890是一款8通道12位串行a／d转换器，具有高转换效率(转换时间仅为5．9μs)、高速灵活的串行接口、多通道等优点。其中，ad7890-10输入电压范围为-10～+10 v。tms320f2812处理器上集成了多种先进的外设，为实现电机及其他运动控制领域的应用提供了良好的平台，它所提供的spi接口通常用于dsp处理器和外部设备及其他处理器之间的通信。spi分主、从两种工作方式，数据长度可编程(1～16 b)，并能同时进行接收和发送操作，通常用于dsp处理器和外部外设以及其他处理器之间的通信，这使它能很方便地与ad7890采用主／从模式进行通信。
1 ad7890工作模式和原理
ad7890的smode引脚是工作模式控制输入端，它决定了器件是工作于外部时钟模式(作为从设备)，还是内部时钟模式(作为主设备)。当smode置于高电平时，器件工作在外部时钟模式，由主设备提供时钟信号sclk和接收帧同步信号rfs，ad7890可接收的最大串行时钟频率达10 mhz；当smode置于低电平时，器件工作在内部时钟模式，自身提供时钟信号sclk和接收帧同步信号rfs，其时钟频率由clk引脚输入时钟频率决定。本文以dsp作为主控制器，ad7890作为从设备，由dsp的spi口提供串行时钟。
ad7890通过片内高速双向串行数据接口接收控制字和输出转换结果。通过向控制寄存器写数据可以确定转换通道、转换开始信号等信息。其控制寄存器包含5位数据，因此至少需要6个sclk脉冲才能完成对寄存器的写操作。其中，a2，a1，a0分别为通道地址选择最高位、次高位、最低位。通道选择算法为：通道号=4a2+2a1+a2+1。发送数据的第5个sclk脉冲下降沿过后的数据均为无效数据。控制字写入寄存器后，器件即启动内部延时脉冲，保证在转换开始前跟踪／保持器有足够的时间来完成转换通道的建立和切换。该延时脉冲宽度取决于引脚电容的cext值。一般引脚电容值取cext、120 pf或200 pf。据测试，此时延时脉冲宽度分别约为7．oμs和9．6μs。向控制寄存器写数据时cext，引脚电平由低变高，电容在第6个时钟脉冲的下降沿开始放电，电压降低至2．5 v以下时内部延时脉冲结束，同时a／d转换开始，5．9μs后转换结束。若此时串行读操作已完成，且rfs已变高为高电平，则用新的转换结果更新输出寄存器。至此，一次a／d转换结束。图1为ad7890工作原理图，从示波器获取的图片显示了cext引脚电平、sclk脉冲与a／d转换过程时间的关系。
2 ad7890工作时序与读写操作方法
控制ad7890的转换开始有两种方法。一是，硬件控制，即将convst引脚置低，器件产生一个窄低电平脉冲，在脉冲的上升沿a／d转换开始，前提是须向conv位写0；二是，软件控制，即向控制寄存器的conv位写1，此时convst引脚不起作用。二者区别在于，采用硬件控制转换开始时，在convs丽上升沿启动转换，此时必须保证内部延时脉冲已经结束；对于软件控制，内部延时脉冲结束时转换立即开始。需要说明的是，在向控制寄存器写数据时，6个写操作时钟脉冲结束前，发送帧同步信号tfs必须保持低电平，否则写操作不能成功。而读取a／d转换结果期间，接收帧同步信号rfs必须保持低电平。rfs和tfs连在一起，使spi口的读、写操作同时进行。以dsp作为主设备，ad7890作为从设备，即工作在外部时钟模式下，此时读、写操作时序分别如图2所示。dsp的spiste丽引脚具有从设备片选功能，该引脚为低时可向从设备发送数据，文中将该引脚作为通用收、发帧同步信号来控制rfs和tfs。
3 ad7890与tms320f2812的spi接口硬件实现
tms320f2812是ti公司推出的数字信号处理器，它在电机控制方面性能优越，使其在工业控制中得到了非常广泛的应用。它所提供的串行外设接口(spi)是一个高速同步的串行输入／输出口，包含4个外部引脚：从输出／主输入引脚(spisomi)、从输入／主输出引脚(spisimo)、从发送使能引脚(spiste)、串行时钟引脚(spiclk)。spi主要特点是可以同时发送和接收串行数据；可以当作主机或从机工作；提供频率可编程时钟；发送结束中断标志。
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由于ad7890-10数据电平为5 v，而tms320f2812的i／o所能承受的电压最高为3．3 v，因此必须对a／d转换结果进行电平转换，将其转换为i／0口可承受的电压。把5 v电平转为3．3 v电平有多种方法。常用的有两种。一是选用专门的电平转换器件，如ti公司的sn74i．vthl6245；二是把a／d转换结果通过系统中cpld的i／o口再输出到dsp，前提是所选cpld可承受输入电压为5 v，而输出为3．3 v。本文采用后一种方法，选用的是altera公司的epm7128st1100-10，给cpld的i／o口供3．3 v电源即可满足要求。将a／d数据通过一个cpld的一个i／o口转接，经软件进行逻辑处理后输出至dsp即可。需要注意的是，为避免噪声干扰，ad7890的所有未用引脚不能悬空，必须接可承受范围内的固定电平。实验表明，特别是clkin引脚不能悬空，否则可能导致a／d转换不能成功。对于ad7890-10，当未使用的输入通道电压值低于-12 v时会对所选其他通道的转换造成严重干扰。文中采取的方法是将外部时钟输入引脚sclk与内部时钟输入引脚clkin相连，可以有效去除干扰。
4 软件读写实现
对于spi接口而言，数据与串行时钟脉冲是同时产生的，即只有数据线上有数据传送时才产生时钟脉冲。所以发送控制数据结束后，dsp收到的数据并不是真实的a／d转换结果，但需要读取接收缓冲寄存器数据使spi复位。多次实验表明，对于单次a／d转换，在转换结束后需要再向ad7890发送2次空控制数据0x0000，之后dsp的spi接收缓冲寄存器中的数据才是正确的a／d转换结果，即每次a／d采样循环需要进行三次数据交换才能得到有效a／d转换数据。采用查询方式判断数据是否发送结束，即spi状态寄存器spiint flag位为1时表示已完成数据发送。软件实现a／d转换的流程框图如图4所示。
对于ad7890-10，a／d转换结果数据为二进制补码格式，且包含通道数据，因此读取结果后应根据需要对数据进行适当处理，包括屏蔽通道选择数据和进行码制转换等，以便换算成系统所需要的数字量。为便于处理，将-10～+10 v电压对应的码值转换为0～4 096。文中处理方法为：将转换结果高四位通道数据屏蔽后，若a／d输入为正电压，则获取低12位结果与0x0800相加得到处理后的数据；若a／d输入为负电压，则将补码转换成原码后与0xf800作差获取处理结果。
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从表1中可以看出，为提高转换效率，应在可承受范围内选择尽可能高的波特率，但不应超过ad7890-10的上限值10 mb／s。对文中spi接口的实际应用表明，a／d转换性能非常稳定，效率较高，转换精度高，误差仅为±1码，约4．88 mv。
5 结 语
用dsp的串行外设接口spi与串行多通道a／d转换器ad7890组成数字伺服系统a／d转换功能实现模块，能完成8个通道模拟量到数字量的转换，效率较高，接口简单，性能稳定。通过选择较高的波特率可以缩短数据传输时间，提高a／d转换效率。当dsp提供的外部时钟sclk为ad7890所能承受的最高值10 mhz时，单个通道彻底完成一次a／d转换仅需12．4μs。本文所做的接口设计为多轴数字控制系统的a／d转换模块提供了一种实用的选择与参考。
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