呂琳

摘要：隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，模擬信號(hào)傳輸被廣泛應(yīng)用于設(shè)備之間的信號(hào)交互中;但是設(shè)備之間一般都是獨(dú)立工作，因此需要隔離處理;本文采用了DSP28335作為主控制器件，利用其特有的SPI總線進(jìn)行信號(hào)傳輸。完成了多種模擬量信號(hào)的隔離傳遞設(shè)計(jì)。該方案布線簡(jiǎn)單，不占用太多的PCB空間。并對(duì)其硬件電路以和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)說明。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明該設(shè)計(jì)方案采樣精度高，穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵字：SPI總線;DSP;多種模擬量;串行通訊;

1.引言

近年來，大功率電力電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用與工業(yè)場(chǎng)合中，這些設(shè)備都需要和其他設(shè)備之間配合工作;相互之間都需要信號(hào)的傳輸交互，目前應(yīng)用最為成熟可靠的就是模擬量的傳輸。比如業(yè)界通用的4～20mA輸入輸出;對(duì)外部溫度的采樣，應(yīng)用比較廣泛的是PT100電阻，或者是集成溫濕度采樣器，輸入模擬量為0～5V電壓;

那么選擇一種傳輸效率高，穩(wěn)定可靠，又布線簡(jiǎn)單，不占用太多PCB空間的信號(hào)交互方案是需求最為迫切的，基于SPI串行總線的信號(hào)交互方案應(yīng)用于這種需求最為合適;

SPI總線（Serial Peripheral Interface），是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。它可以使控制器與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議;SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SpiCs。

2.硬件方案設(shè)計(jì)：

2.1總體規(guī)格分析;

以下表所示需要傳輸?shù)哪M列表為例：

基于DSP自帶SPI總線的傳輸物理路徑，針對(duì)多種不同模擬量之間的交互進(jìn)行轉(zhuǎn)換;設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于模擬量隔離的靈活處理，采用這種方式，原邊和副變的隔離只需要8路數(shù)字量隔離，就可以完成4路模擬量輸出，最大可擴(kuò)16路模擬量輸入，4路模擬量輸出，大大減小了模擬量采樣所需要的隔離器件;

2.2SPI工作模式

其工作有兩種模式：主機(jī)工作模式和從機(jī)工作模式，對(duì)于應(yīng)用與AD采樣環(huán)境下，選擇主機(jī)工作模式。SPI在SPICLK引腳為整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)鐘。數(shù)據(jù)從SPISIMO引腳輸出，并鎖存SPISOMI引腳上輸入的數(shù)據(jù)。

寫數(shù)據(jù)到SPIDAT或者SPITXBUFF寄存器，啟動(dòng)SPISIMO引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送，首先發(fā)送的是最高有效位MSB;同時(shí)接收的數(shù)據(jù)通過SPISOMI引腳移入SPIDAT的低位有效位。當(dāng)傳輸完特定的位數(shù)后，接收到的數(shù)據(jù)被發(fā)送到SPIRXBUF寄存器，以備CPU讀取。數(shù)據(jù)在SPIRXBUF寄存器中采用右對(duì)其的方式存儲(chǔ);

2.3各個(gè)部分電路詳細(xì)介紹

隔離光耦選擇HCPL-M453-500E，其通訊速度可以滿足1M的需求;以SpiClk為例，信號(hào)經(jīng)過光耦HCPL-M453-500E隔離之后為SpiClk_A;其他信號(hào)隔離方式于此相同;信號(hào)電平為5V;

對(duì)于AD轉(zhuǎn)換，選用AD7893串行AD轉(zhuǎn)換芯片，前段需要用模擬開關(guān)CD4051對(duì)多路輸入模擬量進(jìn)行切換，在某一時(shí)刻對(duì)其中一路模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;輸入到切換開關(guān)前的模擬量轉(zhuǎn)換成0～2.5V信號(hào)，這是由AD7893的輸入電壓決定。需要對(duì)某一路模擬量進(jìn)行采樣，選擇對(duì)應(yīng)的組態(tài)值即可完成模擬量傳輸;或者程序中直接對(duì)所有采樣通道進(jìn)行循環(huán)遍歷采樣;其中nCONVST接SPI的SpiCs選擇通道，低電平有效;SCLK接SpiClk信號(hào)，用于同步傳輸和AD采樣;不同通道的模擬量輸出DA_Data的數(shù)據(jù)格式確定。

對(duì)于MAX5250，采樣數(shù)據(jù)和SPI 接口之間的關(guān)系是：nCS接SpiCs選擇信號(hào)，低電平有效，SCLK接SpiClk信號(hào)，進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸和輸出模擬量。過以上設(shè)計(jì)基于SPI總線完成模擬的AD傳輸和DA轉(zhuǎn)換。但是對(duì)于輸入的模擬量必須是0～2.5V電壓信號(hào)，輸出也是0～5V電壓信號(hào);因此需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換;對(duì)于輸入電流來說，經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后通過運(yùn)放調(diào)整為0～2.5V電壓信號(hào); 對(duì)于電流輸出，AD輸出的電壓范圍是0～5V，需要轉(zhuǎn)換成電流后才能輸出。電流源由+15V_A電源提供，輸出經(jīng)過兩個(gè)采樣電阻R1，R2來反饋到輸入，以控制輸出電流的精度; 對(duì)于電阻采樣，采用橋式采樣法，電阻變化范圍是80ohms到150ohms;對(duì)應(yīng)溫度范圍是-50～100℃;由于采樣阻值變化范圍很小，因此輸入電壓變化范圍也很小，變化范圍為0～0.1V之間;因此必須選擇零漂比較小的高精度運(yùn)放OP07; 對(duì)于電壓采樣，直接進(jìn)行分壓后皆可，采用兩個(gè)4.7K電阻進(jìn)行分壓，將電壓從0～5V轉(zhuǎn)換成0～2.5V;

3.軟件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

3.1軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于SPI的軟件配置，其SpiCs需要單獨(dú)控制，目的是為了DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)發(fā)送/接受時(shí)序和AD，DA的采樣時(shí)序所匹配，滿足整個(gè)采樣通道的通訊要求。

在時(shí)序匹配上還需要注意，由于SPI是自行發(fā)送數(shù)據(jù)，因此一般情況下當(dāng)SpiCs使能后就會(huì)自行發(fā)送，而為了滿足AD的時(shí)序要求以及由于模擬通道切換而造成的數(shù)據(jù)滯后的影響，因此需要對(duì)某些環(huán)節(jié)增加延時(shí)處理。

3.2DA輸出測(cè)試結(jié)果

由實(shí)測(cè)波形分析計(jì)算輸入數(shù)字量和輸出模擬量之間的關(guān)系，輸入的數(shù)字量為1000 1100，這和成十進(jìn)制為48;根據(jù)MAX5250的DA轉(zhuǎn)換關(guān)系理論計(jì)算是：

[2.5*（512+48）/1024]*2=2.73V;

實(shí)際測(cè)量輸出電壓也為2.72V;

誤差為2.73-2.72=0.01V;

誤差率為（0.01/2.5）*100%=0.4%

3.3AD輸入測(cè)試結(jié)果

由實(shí)測(cè)波形分析輸入模擬量和輸出數(shù)字量之間的關(guān)系，輸入模擬量為2.46V，根據(jù)AD7893的AD轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算得知：

理論計(jì)算輸出數(shù)字量為：2.46/0.00122=2016;

實(shí)測(cè)數(shù)字量為：0111 1110 1000，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制是：2024;

誤差為2024-2016=8;轉(zhuǎn)換為模擬量為8*0.00122=9mV;

誤差率為（0.009/2.5）*100%=0.36%;

4實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

4.1電流輸出結(jié)論

AO輸出測(cè)量數(shù)據(jù)列表;

4.2電流輸入結(jié)論

AI輸入測(cè)量數(shù)據(jù)列表：

4.3電阻輸入結(jié)論

電阻采樣值列表：

4.4實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，電流輸出精度可以達(dá)到0.15%;電流輸出精度可以達(dá)到0.37%;電阻采樣精度可以達(dá)到0.11%;采樣精度高，穩(wěn)定可靠。

5.結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，本文給出的方案可以精確進(jìn)行模擬量之間的交互，具有采樣精度高，模擬量種類多，交互總路數(shù)多，硬件電路簡(jiǎn)單，PCB布線簡(jiǎn)單的特點(diǎn);設(shè)計(jì)程序簡(jiǎn)介可靠，穩(wěn)定性高，實(shí)用性強(qiáng);

該方案很靈活方便的應(yīng)用與和外部進(jìn)行多種模擬量交互的場(chǎng)合;極大的簡(jiǎn)化了設(shè)備之間模擬量信號(hào)交互設(shè)計(jì)。

6.參考文獻(xiàn)：

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[2]蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶鋒，等.TMS320F1812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：124-155