摘 要： 提出一種基于TMS320C5402和AD7705的信號采集系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)采用TMS320C5402為主控芯片，以16位低功耗、高性能的AD7705為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過SPI接口進(jìn)行通訊。基于AD7705的結(jié)構(gòu)和原理，重點(diǎn)介紹了AD7705與TMS320C5402的接口電路和接口程序設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了AD7705的高精度數(shù)據(jù)采集。
關(guān)鍵詞： TMS320C5402；AD7705；信號采集；高精度
在智能儀器儀表的應(yīng)用中，需要將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以實(shí)現(xiàn)微機(jī)的控制。數(shù)據(jù)采集是智能測試的重要環(huán)節(jié)，其采集的數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性對智能測試有重要的意義。測試技術(shù)的進(jìn)步要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度更高、功能更強(qiáng)、成本低廉、體積更小。近年來興起的Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)能以較低的成本獲取極高的分辨率。AD公司的AD7705/06以及AD7707為比較典型的一種16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它集放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換單元于一體[1]。而TI公司的DSP芯片TMS320C5402具有高速度、低功耗、功能強(qiáng)、接口方便等特點(diǎn)，是一款性價比較高的微處理器。本文所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即以TMS320C5402為微處理器，AD7705為A/D轉(zhuǎn)換芯片，兩者通過SPI接口通信構(gòu)成高精度低頻微小信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705
AD7705是AD公司新推出的16位Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，能直接將傳感器測量到的多路微小信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口，有2個全差分輸入通道，能達(dá)到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式[2]。AD7705工作電壓為3 V或5 V。3 V電壓時，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8 μA。
1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖1為AD7705內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[1]。AD7705芯片是帶有自校正功能的Σ-Δ的A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部由多路模擬開關(guān)、緩沖器、可編程增益放大器(PGA)、Σ-Δ調(diào)制器、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓輸入、時鐘電路及串行接口組成。其中串行接口包括寄存器組，它由通信寄存器、設(shè)置寄存器、時鐘寄存器、數(shù)據(jù)輸出寄存器、零點(diǎn)校正寄存器和滿程校正寄存器等組成。
AD7705的PGA可通過指令設(shè)定，對不同幅度的輸入信號實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此，AD7705芯片既可接收從傳感器送來的低電平輸入信號，又可接收高電平信號。
1.2 片內(nèi)寄存器
AD7705片內(nèi)包括8個寄存器，均通過器件串行口訪問。限于篇幅，這里主要介紹以下寄存器的作用，寄存器的位功能可以查閱相關(guān)手冊。
(1)通信寄存器。它的內(nèi)容決定下一次操作是對哪一個寄存器進(jìn)行讀操作還是寫操作，并控制對哪一個輸入通道進(jìn)行采樣。所有與器件的通信都必須先寫通信寄存器。上電或復(fù)位后，器件默認(rèn)狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。通信寄存器各位的說明如表1所示，它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個寄存器，而輸入通道選擇位CH1、CH0則決定對哪一個輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
(2)設(shè)置寄存器：是一個可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準(zhǔn)方式、增益等。
(3)時鐘寄存器：它也是一個可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)AD7705運(yùn)行頻率參數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換輸出更新速率。
(4)數(shù)據(jù)寄存器：是一個16位只讀寄存器，存放AD7705最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，數(shù)據(jù)手冊上雖然說明它是一個16位的寄存器，但實(shí)際上它是由2個8位的存儲單元組成的，輸出時MSB在前，如果接收微控制器則需要LSB在前，例如8051系列，讀取時應(yīng)該分2次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個16位倒序。
其他的寄存器分別是測試寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器、 滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等，用于測試和存放校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可用來分析噪聲和轉(zhuǎn)換誤差。
1.3 校準(zhǔn)功能
為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量，AD7705提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)2種功能選擇，向設(shè)置寄存器的MD1和MD0寫入相應(yīng)的值來選擇自校準(zhǔn)還是系統(tǒng)校準(zhǔn)。每當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變(如輸入通道切換)、增益或數(shù)字濾波器陷波頻率變動、信號輸入范圍變化等任一項(xiàng)發(fā)生時，必須進(jìn)行1次校準(zhǔn)。對于自校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)過程在器件內(nèi)部1次完成。AD7705內(nèi)部設(shè)置AIN(+)端和AIN(－)端為相同的偏置電壓，以校準(zhǔn)零標(biāo)度。滿標(biāo)度校準(zhǔn)是在一個內(nèi)部產(chǎn)生的VREF電壓和選定的增益條件下進(jìn)行的。系統(tǒng)校準(zhǔn)則是對整個系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。在選定的增益下，先后在外部給AIN(+)端施加零標(biāo)度電壓和滿標(biāo)度電壓，先校準(zhǔn)零標(biāo)度點(diǎn)，然后校準(zhǔn)滿標(biāo)度點(diǎn)。根據(jù)零標(biāo)度和滿標(biāo)度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計算出轉(zhuǎn)換器的輸入輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的偏移和增益斜率，對誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
1.4 數(shù)字濾波和輸出更新速率
模擬信號由Σ-Δ調(diào)制器變換為占空比被模擬電壓調(diào)制(調(diào)寬)的數(shù)字脈沖串，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進(jìn)制碼并濾去噪聲，以完成A/D轉(zhuǎn)換。低通數(shù)字濾波器的振幅頻率特性如下：
式中，N為調(diào)制速率與輸出更新速率之比。
需要指出的是，器件產(chǎn)生的噪聲源主要來自半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲，PGA放大量和濾波器第一陷波頻率越低，則輸出的半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲越小，A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率越高。
2 信號采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
AD7705靈活的串行接口使得其能與大多數(shù)微計算機(jī)和微處理器很容易地進(jìn)行接口，目前，用得最多的是與單片機(jī)進(jìn)行接口。本系統(tǒng)是以DSP芯片TMS320C5402為微處理器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要是借助DSP的強(qiáng)大功能，使采集信號的后續(xù)處理(如轉(zhuǎn)換、顯示、打印)更加方便。
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
圖2為系統(tǒng)硬件接口電路，TMS320C5402作為主設(shè)備提供時鐘信號并控制數(shù)據(jù)傳輸過程。TMS320C5402的McBSP串口工作在時鐘停止模式時與SPI協(xié)議兼容。McBSP可以作為SPI設(shè)備的主設(shè)備或者從設(shè)備，在這種模式下，接收時鐘信號BCLKR和接收幀同步信號BFSR將不進(jìn)行連接，因?yàn)樗鼈冊趦?nèi)部分別與BCLKX和BFSX相連接[3]。
AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個接口，其中片選輸入CS、串行時鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號輸出口
用于指示什么時候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng)為低電平時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當(dāng)為高電平時，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，輸出線與TMS320C5402的
管腳相連，通過查詢可知AD7705的狀態(tài)。器件的A/D轉(zhuǎn)換過程是按設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出更新速率連續(xù)進(jìn)行的。任何操作都需要對相應(yīng)片內(nèi)寄存器送入新的編程指令。
2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要考慮以下4個方面：
(1)TMS320VC5402串口的初始化。首先將DSP串口0復(fù)位，再對串口0的寄存器進(jìn)行編程，使DSP串口工作在以下狀態(tài)：以SPI模式運(yùn)行，每幀1相，每相1個字，每字16位，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘柡鸵莆粫r鐘信號由內(nèi)部產(chǎn)生。
(2)AD7705的初始化和配置。上電或復(fù)位后，器件默認(rèn)狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個寄存器，而輸入通道選擇位CH1、CH0則決定對哪一個輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
(3)雖然AD7705的通信寄存器、時鐘寄存器都是8位的，數(shù)據(jù)寄存器是16位的，但訪問前面3個寄存器時可以將前后2次寫操作成功連接起來，使讀寫操作都是16位數(shù)據(jù)傳輸處理，這樣剛好與16位的TMS320C5402匹配。例如：寫時鐘寄存器時，TMS320C5402往AD7705寫入的字為2005H。
綜合以上考慮，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。程序代碼(這里只給出讀寫AD7705的程序代碼)如下：
STM #3FFFH，IFR
STM #2005H，DXR10 ；寫時鐘寄存器
IDLE 1
STM #3FFFH，IFR
STM #1070H，DXR10 ；寫設(shè)置寄存器
IDLE 1
WAIT： STM #3FFFH，IFR
BC WAIT，NBIO ；等待BIO為零
STM #3FFFH，IFR
STM #0038H，DXR10 ；設(shè)置下次讀數(shù)據(jù)寄存器
IDLE 1
STM #3FFFH，IFR
LDM DRR10，A 讀數(shù)據(jù)寄存器；
結(jié)果存累加器A中
STM #3FFFH，IFR
3 系統(tǒng)的制作與調(diào)試
AD7705的印制板電路必須按規(guī)格設(shè)計，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面將它們分開，可達(dá)到最好的屏蔽性能，并在一個地方將模擬和數(shù)字接地平面連接在一起，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路；避免在元器件下面走數(shù)字線，否則會造成片內(nèi)噪聲成倍增加；AD7705的電源線應(yīng)足夠粗，以降低線路阻抗，減少電源供電的尖峰信號的影響；時鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過，模擬信號和數(shù)字信號之間避免相互交叉；所有的模擬電源都用1個10 μF電容并聯(lián)1個0.1 μF的陶瓷電容器接地去耦[4]。
在調(diào)試系統(tǒng)時，采用Sensym公司的BP01測壓計，壓力傳感器構(gòu)成半差動電橋，在它的OUT+和OUT-端輸出1個差分輸出電壓。電橋的轉(zhuǎn)換系數(shù)為3 mV/V，電橋激勵電壓為5 V，因此傳感器的滿度輸出電壓為15 mV。電橋激勵電壓還用來為AD7705產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，因此，激勵電壓的變化不會造成系統(tǒng)內(nèi)的誤差。圖2中AD7705產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為1.92 V，AD7705具有128的可編程增益時，AD7705的滿度輸入為15 mV。AD7705的第2個通道可以作為一個輔助通道測量另一個變化量，如溫度。
本文所介紹的高精度信號采集系統(tǒng)接口電路簡單、編程方便，系統(tǒng)程序代碼已經(jīng)在CCS3.1開發(fā)環(huán)境上得到驗(yàn)證，并且將制作的AD7705板與DSP實(shí)驗(yàn)箱上的MS320C5402的McBSP串口連接，獲得成功地通信和數(shù)據(jù)采集。本信號采集系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用價值。
參考文獻(xiàn)
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