現在很多測控制系統為了提高抗干擾的能力,傳感器輸出信號多為 3線制的差分信號，如航空舵機的控制系統 ,通常采用的方法是把差分信號通過復雜電路處理再進行數據采集 ,這樣不僅增加了硬件成本,還降低系統精度。本系統設計的基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數據采集系統 ,不僅可以實現多路的單信號輸入 ,還可以實現多路差分信號的輸入 ,對輸入的信號的范圍可以通過軟件滿足不同的要求，真正實現差分輸入抑制共模噪聲。
LTC1859是凌力爾特公司最新推出的一款高性能的 8通道、 16位、100ksps的 AD轉換器,每個通道可通過軟件實現 0~5V，0~10V，0~±5V，0~±10V的不同范圍的輸入電壓，同時還可以實現單輸入和差分信號輸入的選擇，可承受至 ±25V的故障保護。LTC1859的多路復用器可以配置為接受 4個差分輸入、 8個單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件提供了卓越的 DC性能，具有在整個溫度范圍內的 15位無漏失碼和±3 LSBMAX INL。LTC1859具有較好的失調、滿標度增益和通道至通道匹配。適用于多通道高分辨率應用，如儀表、數據采集系統和工業過程控制。它與 CPU之間采用的 SPI總線通信。LTC1859用單 5V電源工作，同時僅消耗 40mW功率。LTC1859還具有溫度系數為 ±10ppm/oC的 2.5V內部基準，如果需要較高的準確度，還可以從外部驅動。對于那些對功耗敏感的應用， LTC1859提供了兩種斷電模式，在基準仍保持運行狀態時功耗降至 27.5mW(打盹模式)，或基準完全斷電時功耗降至 40uW(休眠模式)。LTC1857和 LTC1858分別是引腳兼容的 12位和 14位器件。本系統的 CPU為 TI公司的 TMS320C2407A，主頻可達 40MHZ，它有標準的 SPI總線，豐富的外設，非常適合與 LTC1859構成高精度的數據采集系統和控制系統的。
1 硬件系統設計
本系統設計了由 2塊 LTC1859構成 8通道的差分信號輸入，也可以實現 16通道的單路信號輸入，或者它們之間的組合，詳細電路如圖 1。本電路具有通用性，在實際應用中性能穩定，效果很好。下面針對 LTC1859芯片引腳對對電路進行詳細分析。
CH0~CH7是8路模擬輸入通道，在本系統中構成了4路差分輸入信號，每路差分輸入信號接3000P的濾波電容去干擾。 MUXOUT+、MUXOUT-為模擬復用器的正負輸出，把它們連在ADC+、ADC-上進行正常操作。 Vref為2.5V的基準電壓輸出。 ODD為數字輸出緩沖器的電源，這樣使SPI總線上的數字信號的電壓等于 ODD的接入電壓，本系統采用的 DSP2407,它對輸入的數字信號要求為3.3V,所以這里接的 3.3V電壓，就不需要另加電平轉換電路。 BUSY為輸出轉換器的狀態，當正在轉換中為低，轉換結束變高，連在 DSP的I/O口上， SDO為SPI總線的串行數據輸出，接在 DSP的SPISOMI引腳上，SDI為SPI總線的串行數據輸如，接在DSP的SPISIMO引腳上 ,SCK為SPI總線的時鐘，接在DSP的SPICLK上。RD為引腳SDO數字輸出的能使信號，當 RD為低能使輸出，當 RD為高SDO為高阻抗，該引腳接在 DSP的I/O口上，由于 LTC1859沒有片選信號，為了讓多片 LTC1859在總線上不發生沖突，把要工作的 LTC1859的RD置為低，把要沒工作的LTC1859的RD置為高。CONVST為啟動轉換引腳。其它引腳分別接電源、數字地、模擬地，就不再詳細介紹。
圖 1 硬件系統圖 Fig1 Hardware system configuration
2軟件設計
由于采用標準 SPI總線通信，軟件的關鍵是 DSP和 LTC1859之間的時序匹配，首先介紹 LTC1859軟件配置。
2.1 LTC1859不管是在發送系統中還是接收系統中，都是在 SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲，這就要求 DSP在進行 SPI初始化時采用上升沿無延時模式。8位的控制字通過 SDI輸入，用于配置 LTC1859以進行下一個轉換，同時前一個轉換輸出在 SDO上輸出，在數據交換的末端在 CONVST上施加一個上升沿啟動被請求的轉換。轉換完成后，轉換結果將在將在下一個數據傳送周期提供。LTC1859的 8位命令控制字在首 8個 SCK的上升沿按時間順序記錄到 SDI輸入中，SDI隨后的輸入的位被忽略。控制字的 8位定義如表 1
其中復用器通道選擇如表 2
其中輸入范圍選擇如表 3
2.2下面詳細介紹軟件編寫，考慮到 SPI總線的時鐘很快，采用查詢方式，其軟件流程如圖 2，這里只介紹 LTC1859(1)的流程及源代碼，其它原理都一樣。
圖 2流程圖 Fig2 Flow chart
程序源代碼及其詳細注釋：
void SPIAD_Init()
{ MCRB=MCRB | 0x001C; // SPISIMO,SPISOMI,SPICLK特殊功能方式 SPICCR=0x000F; // 16bit數據, 上升沿無延時模式 SPICTL=0x0006; //禁止中斷 SPIBRR=0x0004; // 8M波特率 ,40M/5=8M SPICCR=SPICCR | 0x80;
}
void ADLTC()
{ PADATDIR=PADATDIR|0x1010; //將 A4即 LTC2RD置高 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFD; //將 A1即 LTC1RD置低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //將 A0即 LTC1CON(CONVST)置低 PADATDIR=PADATDIR|0x0101; //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動轉換 asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0004<<8); // 輸入通道 1控制字，當 LTC1BUSY變高說明轉換完成 ,則可寫入下次轉換的命令字 while((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
SPIRXBUF=SPIRXBUF; PADATDIR=PADATDIR|0x0101; asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000);PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE;
while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); SPITXBUF=(0x0014<<8);
while((SPISTS&0x0040)!=0x0040);
/*虛讀寄存器以清除中斷標志*/ //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動轉換
//等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 //輸入通道 2控制字，當 LTC1BUSY變高說明轉換完成,則可寫入下次轉換的命令字 //等待總線傳輸
ADINRESULT[4]=(0x0FFF&SPIRXBUF); /*保存轉換結果 */ SPIRXBUF= SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標志*/ PADATDIR=PADATDIR|0X0101; //將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉高啟動轉換 asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將
A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0024<<8); //輸入通道3控制字當LTC1BUSY變高說明轉換完成,
則可寫入下次轉換的命令字
while((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
ADINRESULT[5]=SPIRXBUF; /*保存轉換結果 */
SPIRXBUF=SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標志*/
……………………………………………通道 3、4的轉換程序原理一樣 }
3 結 論
本文作者創新點是成功實現了基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數據采集系統，給出了全新實用的硬件和軟件設計，特別適合差分信號和電壓范圍變化較大的系統該設計，對與 LTC1859與其它的 CPU的設計也有很大的參考價值。該系統性價比高，具有一般通用性能，有一定的應用推廣價值。