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TMS320VC5402 DSP 与串行 AD73360 A/D 转换器的接口设计 | ||||
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西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室（710071） 何学辉 苏 涛 | ||||
| 随着对信号处理要求的不断提高以及ＤＳＰ技术的不断发展，越来越多的工程技术人员开始采用ＤＳＰ进行系统设计。美国ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２TMS320VC5402（以下简称ＶＣ５４０２）ＤＳＰ具有运算速度快、功耗小和性价比高的特点，已在个人移动通信、信号与信息处理以及自动控制等领域得到了广泛的应用。该芯片提供了两个多通道缓冲串行接口（ＭｃＢＳＰ）与外部设备进行通信。它与串行Ａ／Ｄ变换器构成的信号采集与处理系统具有硬件设计简单、可靠性好的特点。本文将详细阐述ＶＣ５４０２与ＡＤ７３３６０的接口设计。
１ ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ是一种同步串行接口，支持多种通信方式和ＳＰＩ协议，该串口可以根据设计者的不同需求进行配置，使用非常灵活。它的主要特点如下：全双工的串行通信；连续的发送和接收数据流功能；具有外部时钟输入或内部可编程时钟两种时钟控制方式；可独立编程的发送和接收帧同步；多通道数据传输（多可达１２８个通道）；可选的数据宽度：８、１２、１６、２０、２４或３２位；用于数据压缩的μ律和Ａ律压缩扩展；可编程的时钟和帧同步极性。 ＭｃＢＳＰ包括６个引脚，分别是串行数据发送信号ＤＸ、串行数据接收信号ＤＲ、发送时钟信号ＣＬＫＸ、接收时钟信号ＣＬＫＲ、发送帧同步信号ＦＳＸ和接收帧同步信号ＦＳＲ。由于ＭｃＢＳＰ内带有一个可编程的采样和帧同步时钟产生器，所以串口接收、发送时钟和帧同步等信号既可由内部产生，也可以由外部输入。 ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ由２３个寄存器进行控制，除了少数几个不能由程序访问之外，一般在串口进行数据通信之前都要对它们进行初始化，部分寄存器是存储器映射寄存器，必须通过子地址的方式进行访问。要访问ＭｃＢＳＰ的这些寄存器，首先要把所要访问的寄存器的子地址写到子地址寄存器ＳＰＳＡ中，然后才能对数据寄存器进行访问。 ＭｃＢＳＰ接收和发送数据的过程如下：在发送数据时，首先将要发送的数据写到ＤＸＲ寄存器中，若ＸＳＲ寄存器为空（说明上发送的数据已经由ＤＸ引脚送出），则将ＤＸＲ寄存器中的数据拷贝到ＸＳＲ寄存器中；然后在帧同步ＦＳＸ和时钟ＣＬＫＸ的作用下，将ＸＳＲ寄存器中的数据逐位移到ＤＸ引脚输出。在数据从ＤＸＲ寄存器复制到ＸＳＲ后，就可以将下一个要发送的数据写到ＤＸＲ寄存器中，因而可以保证数据的连续发送。串口接收数据的过程与发送基本类似，但方向相反且ＶＣ５４０２的多通道串口的接收带三个缓冲器。 在ＶＣ５４０２片内，ＣＰＵ与ＭｃＢＳＰ之间的数据传送有三种方式查询方式、中断方式和ＤＭＡ方式。每当串口接收到一个字（新接收的数据复制到ＤＲＲ[１，２]寄存器中）或发送的字从ＤＸＲ寄存器拷贝到ＸＳＲ寄存器中时，都会改变串口控制寄存器１（ＳＰＣＲ１）中的ＲＤＤＹ和串口控制寄存器２（ＳＰＣＲ２）中的ＸＲＤＹ标志位，所以ＣＰＵ可以通过不断查询的方法知道数据是否发送完毕以及是否接收到新的数据，从而决定下一步操作。ＣＰＵ还可以通过串口的接收或发送中断事件，在中断服务程序中完成数据的传送，中断的触发事件是可以选择的，在进行处理之前必须预先设置好串口控制寄存器１（ＳＰＣＲ１）和串口控制寄存器２ＳＰＣＲ２中相应的位。第三种传数方式就是通过芯片的ＤＭＡ与串口相连，由串口同步事件触发ＤＭＡ完成数据的传送。 ＭｃＢＳＰ的初始化主要完成串口的配置，接收和发送可以分别设定，但要结合具体的硬件设计来进行。串口初始化的主要工作如下：设定ＦＳＲ、ＦＳＸ、ＣＬＫＸ和ＣＬＫＲ为输入还是输出以及它们的极性；设定是单相位还是双相位帧同步；设定每帧所包含的数据个数；设定传输数据的字宽（若为双相位帧同步，每一相位对应的字宽可设为不一样）；设定个帧同步之后的帧同步是否被忽略；设定数据位的延迟；设定数据的符号扩展方式；设定所选择的传输通道；若采用内部产生时钟和帧同步信号，还需要对时钟和帧同步产生器进行设置。 ＡＤ７３３６０是ＡＤ公司推出的６通道模拟输入的１６位串行可编程Ａ／Ｄ转换器。由于采用Σ－Δ Ａ／Ｄ转换原理，具有良好的内置抗混叠性能，所以对模拟前端滤波器的要求不高，用一阶ＲＣ低通滤波器就能满足要求。由于其采样率和输入信号增益都是可编程的，采样率可分别设置为６４Ｋ、３２Ｋ、１６Ｋ和８Ｋ（输入时钟为１６．３８４ＭＨｚ时），增益可在０ｄＢ到３８ｄＢ之间选择，因而它既适合于大信号的应用，也适合于小信号的应用。ＡＤ７３３６０能保证６路模拟信号同时采样，且在变换过程中延迟很小。ＡＤ７３３６０还能多片级联使用，从而扩充模拟输入的通道数。 ＡＤ７３３６０有Ｒ－２８和ＳＵ－４４两种封装，图１是Ｒ－２８封装的管脚图，下面仅对与ＭｃＢＳＰ接口设计有关的部分引脚进行说明。
ＲＥＳＥＴ为ＡＤ７３３６０硬件复位信号，用于对ＡＤ７３３６０进行硬件复位；ＳＥ为串口使能信号，当ＳＥ为高电平时，ＡＤ７３３６０正常工作，当ＳＥ为低电平时，ＡＤ７３３６０被禁止，此时所有的输出为三态，所有的输入信号无效，同时ＡＤ７３３６０进入节电状态。ＭＣＬＫ为外部时钟输入信号，通常由外部时钟驱动，ＭＣＬＫ进入ＡＤ７３３６０之后，首先被分频产生ＤＭＣＬＫ（内部主时钟信号），然后由ＤＭＣＬＫ分频产生串口时钟信号ＳＣＬＫ，它们的分频因子都是可编程的；ＳＣＬＫ为串口时钟信号，通常作为ＤＳＰ的同步串口的输入时钟信号；ＳＤＩ和ＳＤＩＦＳ为数据输入和输入帧同步信号，通常用于接收初始化控制字；ＳＤＯ和ＳＤＯＦＳ为数据输出和输出帧同步信号，通常用于输出转换的数据；其余的引脚分别为６路模拟输入、模拟电源和数字电源。ＡＤ７３３６０有８个控制寄存器（ＣＲＡ、ＣＲＢ、ＣＲＣ、ＣＲＤ、ＣＲＥ、ＣＲＦ、ＣＲＧ、ＣＲＨ），在ＡＤ７３３６０工作之前必须对这些寄存器进行初始化。ＡＤ７３３６０有三种工作模式：编程模式、数据模式和混合模式。在编程模式下只接收控制字，输出无效的转换数据；在数据模式下，输入的控制字被忽略，输出有效的转换数据；在混合模式下，允许在数据转换过程中接收控制字。 ＡＤ７３３６０的模拟输入共有四种方式：直流耦合的差分输入、交流耦合的差分输入、直流耦合的单端输入和交流耦合的单端输入。交流耦合的差分输入的连接如图２所示，其中Ｃ１和Ｃ２起隔直作用，Ｒ１、Ｃ３和Ｒ２、Ｃ４分别为一阶低通滤波器，Ｒ３和Ｒ４的作用是把参考信号引入到输入端，Ｃ５为旁路电容。由于用到ＡＤ７３３６０的内部参考源，所以初始化时必须使能参考信号（ＲＥＦＯＵＴ）的输出。
ＭｃＢＳＰ（串口０）与ＡＤ７３３６０的连接如图３所示。图中ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ的ＸＦ引脚与ＡＤ７３３６０的ＳＥ引脚和ＲＥＳＥＴ引脚相连，ＸＦ信号用于对ＡＤ７３３６０进行控制；ＡＤ７３３６０的串口时钟ＳＣＬＫ信号作为ＭｃＢＳＰ的发送信号（ＣＬＫＸ０）和接收时钟信号（ＣＬＫＲ０）；ＭｃＢＳＰ的发送引脚（ＦＳＸ０）、接收帧同步引脚（ＦＳＲ０）与ＡＤ７３３６０的输入引脚（ＳＤＩＦＳ）、输出帧同步（ＳＤＯＦＳ）连到一起，使ＭｃＢＳＰ的发送信号（ＦＳＸ０）和接收帧同步时钟信号（ＦＳＲ０）与ＡＤ７３３６０的输出帧同步信号（ＳＤＯＦＳ）保持同步。ＡＤ７３３６０的数据输出引脚（ＳＤＯ）和输入引脚（ＳＤＩ）分别与ＭｃＢＳＰ的数据接收引脚（ＤＲ０）和数据发送引脚（ＤＸ０）相连。ＶＣ５４０２的定时器对主时钟分频，其输出再经过２分频得到ＡＤ７３３６０的驱动时钟信号ＭＣＬＫ，实际上也可由晶振直接产生ＡＤ７３３６０的驱动时钟信号ＭＣＬＫ。ＡＤ７３３６０的输入时钟为１６．３８４ＭＨｚ，如果ＤＳＰ主时钟为８１．９２ＭＨｚ时，定时器分频因子可设为４。
４ ＭｃＢＳＰ与ＡＤ７３３６０AD73360接口的软件设计 与硬件接口相对应的软件设计包括：设置定时器１的分频因子并启动定时器、ＭｃＢＳＰ的初始化、ＡＤ７３３６０的初始化、开始接收并处理数据等。若ＡＤ７３３６０的驱动时钟不是由ＶＣ５４０２分频得到，则步可以忽略。在串口初始化时，由图３可知，ＭｃＢＳＰ的发送、接收时钟和帧同步等信号都为输入，因而无需用到ＭｃＢＳＰ内部的采样和帧同步产生器；由于ＡＤ７３３６０的控制字和转换的数据都为１６位，所以ＭｃＢＳＰ应设置为单相位的接收和发送帧同步且传送每个字的宽度为１６位。采用中断方式完成数据传送时，对ＭｃＢＳＰ各控制寄存器的初始化值如下： ＲＣＲ１＝ＸＣＲ１＝００４０ｈ 每帧一个字，字宽为１６位。 ＭｃＢＳＰ（串口０）的初始化程序（ＳＰＳＡ为子地址寄存器，映射地址为３８ｈ；ＳＰＤＡＴＡ为数据寄存器，映射地址为３９ｈ）如下： ｓｔｍ ＃００００ｈ，ＳＰＳＡ ；子地址寄存器指向串口控制寄 ＭｃＢＳＰ初始化完成并使能ＭｃＢＳＰ后就可以通过它对ＡＤ７３３６０进行初始化，其程序（ＤＸＲ１０和ＤＲＲ１０分别为串口０的发送和接收寄存器映射地址分别为２２ｈ和２０ｈ）如下： ｅｒｒｏｒｃｒｂ：ｓｔｍ ＃８１０５ｈ，ＤＸＲ１０； 向ＣＲＢ写控制字０５ｈ，ＤＭＣＬＫ ＡＤ７３３６０AD73360初始化完成之后就可以打开串口的接收中断，在中断服务程序中接收Ａ／Ｄ转换的数据。在该配置条件下，若输入时钟为８．１９２ＭＨｚ，则ＡＤ７３３６０为六路模拟采样，采样率为８ｋＨｚ。图４为其中一路采样信号在ＣＣＳ环境中的显示。
实践表明，由ＶＣ５４０２VC5402的ＭｃＢＳＰ和ＡＤ７３３６０AD73360构成的信号采集和处理系统具有设计简便、结构紧凑、工作稳定和可以方便地在几种采样率之间选择等优点。与并行接口相比，采用串行接口的硬件连接线大为减少，这样不仅可以减少印制电路板的面积，还可以减少电磁干扰，从而有利于系统更加稳定的工作。在不影响系统工作速度的条件下，在系统设计中利用串行接口代替并行接口不失为一种很好的设计方法。 | ||||
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