摘 要：設(shè)計了利用TI公司的TMS320LF2407A系列DSP和Altera公司的MAX II EPM570系列CPLD控制MAXIM公司的MAX194 A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)一個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分析了MAX194 A/D轉(zhuǎn)換器的工作性能，使用Altera 公司的MAX II EPM570系列CPLD在Quartus Ⅱ環(huán)境下使用VHDL語言實(shí)現(xiàn)了MAX194的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口。介紹該系統(tǒng)的工作原理，并詳細(xì)描述了CPLD，DSP以及MAX194之間具體的硬件電路接口的設(shè)計以及軟件的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：DSP;CPLD;MAX194;CD4067

中圖分類號：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1511403

Multi-channel Data Acquisition System Based on DSP and CPLD

LUO Yiqun，DAI Zuoxiao

(Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Science，Shanghai，200083，China)

Abstract：This paper introduces a system structure multi-channel data acquisition based on TI TMS320LF2407A DSP，Altera MAX II EPM570 and MAX194 A/D converter.It analyses the interior architecture of the MAX194，uses the VHDL language under QuartusII environment to carry out the MAX194 A/D converter interface with the MAXII series CPLD.And explains the principle of this system and describes the hardware design and software design for the interfaces among MAX194，DSP and CPLD.

Keywords：DSP;CPLD;MAX194;CD4067

用于實(shí)時控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要對模擬量進(jìn)行測量，通常的方法是以MCU為主產(chǎn)生采集控制時序控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并通過中斷或查詢的方式讀取轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。由MCU產(chǎn)生采集控制時序?qū)⒄加幂^多的系統(tǒng)軟硬件資源。而在一般復(fù)雜的多路信號測控系統(tǒng)中，MCU需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，通訊，數(shù)據(jù)處理等多項(xiàng)工作，如果再需要其頻繁地產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器的控制時序，將會影響系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時將會成為系統(tǒng)的瓶頸。本文采用CPLD產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器的控制時序，使得CPLD主要實(shí)現(xiàn)A/D時序控制的功能，DSP主要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以DSP和CPLD為核心，模擬信號從模擬多路開關(guān)CD4067接入，利用CPLD進(jìn)行使能其輸入。使用DSP的GPIO口作為模擬多路開關(guān)的通道號的選擇。A/D轉(zhuǎn)換器使用MAXIM公司的MAX194，其控制時序由CPLD產(chǎn)生。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將會產(chǎn)生一個EOC信號，該信號作為LF2407的外部中斷，當(dāng)DSP接收到該轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，進(jìn)入相應(yīng)的外部中斷程序，使用SPI總線來接收A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字值，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控DSP芯片TMS320LF2407A

系統(tǒng)的主控制器采用了TMS320LF2407A，3.3 V靜態(tài)CMOS工藝，40 MIPS，具有16位地址總線，16位數(shù)據(jù)總線，3個獨(dú)立的存儲空間，包括可用的64 kB程序空間，35.5 kB數(shù)據(jù)空間以及64 kB的I/O空間。訪問不同的存儲空間時，DSP有相應(yīng)的引腳作為選通信號，PS對應(yīng)程序空間，DS對應(yīng)數(shù)據(jù)空間，IS對應(yīng)IO空間，均為低電平有效。本系統(tǒng)將MAX194 A/D轉(zhuǎn)換器映射到I/O空間0000H-7fffH，其使能的邏輯表達(dá)式為：CS=A15+IS。多路模擬開關(guān)映射到I/O空間的8000H-ffffH，其使能邏輯表達(dá)式為：CS=A15+IS。式中IS是I/O空間選通信號線。

TMS320LF2407A的內(nèi)部具有32 kB FLASH程序存儲器，2.5 kB RAM數(shù)據(jù)存儲器。FLASH可滿足DSP系統(tǒng)程序存儲的需要，而2.5 kB的數(shù)據(jù)存儲器可能不夠。而且研發(fā)階段一般將程序?qū)懺赗AM上，所以設(shè)計選用了Cypress Semiconductor 公司的CY7C1021V33的SRAM，該SRAM為64 kB，設(shè)計中設(shè)定0000H-7ffffH為程序空間，8000H-ffffH為數(shù)據(jù)空間。外擴(kuò)SRAM的邏輯表達(dá)式為：CS=(A15+PS+DS)(A15+PS+DS)。式中CS是SRAM的片選信號線，A15是DSP的第16根地址線，PS是程序空間選通信號線，DS是數(shù)據(jù)空間選通信號線。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊MAX194

TMS320LF2407A芯片內(nèi)置16通道A/D轉(zhuǎn)換器，但是只能輸入單極性電壓，只有10位的分辨率，精度很不理想，所以需要外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換芯片。經(jīng)過多方比較，筆者選用了MAXIM公司的MAX194芯片，它是一種逐漸次比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高精度，低功耗等特點(diǎn)。MAX194的內(nèi)部設(shè)有校準(zhǔn)電路，用于保證全溫度范圍內(nèi)的線性度，且不需要外部的調(diào)整電路。分開的模擬和數(shù)字供電，最大限度地減少了數(shù)字耦合噪聲。其主要特征有：14位分辨率，1/2 LSB非線性度，82 dB的信噪比，低功耗，單極性或雙極性輸入，三態(tài)串行輸出。

MAX194具有兩種接口模式：同步模式和異步模式。同步模式：MAX194在轉(zhuǎn)換過程中，每轉(zhuǎn)換完一個，數(shù)據(jù)位就輸出一位。此時，SCLK應(yīng)該接地，CLK即作為ADC的轉(zhuǎn)換時鐘又作為串行接口的移位輸出時鐘。異步模式：DSP只能在MAX194完成一次轉(zhuǎn)換之后才能將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，然后啟動下一次的轉(zhuǎn)換。這種模式降低了MAX194連續(xù)轉(zhuǎn)換的速度。

使用CPLD來控制MAX194，可以方便地控制MAX194工作在同步或者異步狀態(tài)，而不需要對硬件電路做任何改動，僅需要修改CPLD中的程序即可。本設(shè)計將MAX194設(shè)定在異步工作模式下，MAX194異步模式時序圖如圖2所示。

根據(jù)圖2所示的時序圖，將采樣控制過程分成了4個狀態(tài)：

(1) 初始狀態(tài)： MAX194采樣控制信號初始化，各采樣控制狀態(tài)置零。

(2) 啟動采樣狀態(tài)：將MAX194的啟動轉(zhuǎn)換信號START置低并保持至少兩個CLK周期。

(3) 轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)：將MAX194的啟動信號START置高并檢測轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號EOC，當(dāng)它由高電平變成低電平時即表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。因此，這個狀態(tài)與上個狀態(tài)一樣是看EOC 信號是否有變化，若是有變化，則轉(zhuǎn)到下個狀態(tài)，若是沒有變化，則將一直在這個狀態(tài)中循環(huán)，直到EOC信號有變化為止。

(4) 轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出狀態(tài)：將MAX194的芯片使能信號CS置低，DSP通過SPI口將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)傳入DSP中。

根據(jù)以上工作狀態(tài)的描述，使用了VHDL語言編寫了A/D轉(zhuǎn)換采樣控制模塊的程序，并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。從仿真圖中看出設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換控制模塊是完全符合設(shè)計要求的。

3 軟件設(shè)計

TMS320LF2407A是基于C2000平臺的，提供兩種編程語言：C/C⁺⁺語言或匯編語言。其中，C語言編寫的程序可讀性、可移植性強(qiáng)，且大大縮短了開發(fā)周期，但執(zhí)行效率低，程序出錯時不易診斷。匯編語言程序效率高，但編寫比較繁瑣。通常做法是程序核心部分(即經(jīng)常調(diào)用部分)采用匯編語言編寫，以提高整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率，對實(shí)時性要求不高的部分采用C語言編寫以降低程序的復(fù)雜度，提高程序的可讀性和可修改性。本文采用C語言和匯編語言混合編寫的多文件結(jié)構(gòu)，主要包括主程序、讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的中斷程序的設(shè)計。

軟件流程如圖4所示。主要分成三部分：SPI配置部分，模擬開關(guān)控制部分，A/D轉(zhuǎn)換控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。

3.1 SPI配置部分

對于LF2407A，串行SPI外設(shè)接口有9個寄存器，用于控制其操作。在本設(shè)計中將LF2407A的SPI接口設(shè)定在主模式下，在該模式下，采用主控制器發(fā)送偽數(shù)據(jù)，從控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。主控制器可在任何時刻啟動數(shù)據(jù)傳送，因?yàn)樗刂浦鳶PICLK信號。但軟件決定了主控制器如何檢測從控制器何時準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI接口模塊的初始化程序如下：

int SPIINTITIAL()

{

*SPICCR=0X000F;//16char bits，在SPICLK的上升沿

發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿接收數(shù)據(jù)

*SPICTL=0X0006;//使能主動模式，一般的時鐘方式，使能TALK

*SPIBRR=0X0027;//SPI的波特率為1M，CLKOUT=40M

*SPICCR=*SPICCR|OX0080；//使SPI退出復(fù)位狀態(tài)

}

3.2 模擬多路開關(guān)選通部分

由于多路模擬開關(guān)映射到DSP的I/O空間中的0X8000-0XFFFF之間，所以在DSP程序中，對0X8000-0XFFFF之間進(jìn)行一個讀操作，由DSP的GPIO選擇的通道就被選通，信號由CD4067輸出到A/D轉(zhuǎn)換器MAX194。

讀地址產(chǎn)生的低電平信號CS的保持時間由訪問I/O空間的等待時間決定的，通過設(shè)置等待狀態(tài)寄存器來保證獲得有效的延時時間。

//設(shè)置狀態(tài)寄存器

WSGR=0x01C0;//bit8-6=111，訪問I/O空間插入了7個等待狀態(tài)

//聲明CD4067映射到I/O空間

#define mux port8000;

volatile ioport unsigned int port8000

//CD4067通道選擇函數(shù)

*PADATDIR=0Xff3f;//bit7，bit6清0

*PBDATDIR=0Xfffc;//bit1，bit0清0

*PADATDIR|=（chanel0x3）<<6;//設(shè)置bit7，bit6

*PBDATDIR|= (chanel0xC) <<2;//設(shè)置bit1，bit0

mux=3;//產(chǎn)生使能信號

3.3 MAX194轉(zhuǎn)換控制部分

由于A/D映射DSP的I/O空間的0x0000~0x7fff之間，類似于模擬多路開關(guān)，也需要對該空間進(jìn)行一個讀操作。

//聲明MAX194映射到I/O空間

#define MAX194 port1000;

volatile ioport unsigned int port1000

max194=3;//產(chǎn)生MAX194的使能信號

在使MAX194開始轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生一個EOC信號，使DSP進(jìn)入外部中斷，該中斷服務(wù)程序?yàn)椋?/p>

int ADresult;

*IFR=0x20;//清除外部中斷位

ADresult=temp<<2;//讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的高14位

asm(“ clrc INTM”);//重新使能中斷

4 結(jié) 語

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在嵌入式測控系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。本文設(shè)計了一個基于TMS320LF2407A與EPM570T100C5N的MAX194的多通道采集系統(tǒng)，詳細(xì)描述了MAX194，CPLD與DSP之間的硬件與軟件設(shè)計，該系統(tǒng)在筆者參與的嵌入式測量控制系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］徐科軍，張興，肖本賢，等.TMS320LF/LC24系列DSP的CPU與外設(shè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［2］李輝.PLD與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［3］劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C 語言開發(fā)應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］楊占錄，董保國.14位A/D轉(zhuǎn)換器MAX194在ARM單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子元器件應(yīng)用，2006，8(12):5-8.

［5］MAXIM.14-Bit，85 ks/s ADC with 10 μA Shutdown\\.2001.

［6］梅紅偉，吳學(xué)杰，商秋芳，等.基于PC104和CPLP的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)\\.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(5):152-154，159.

作者簡介 羅軼群 男，1983年出生，上海人，碩士研究生。研究方向?yàn)橛布_發(fā)應(yīng)用。