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。