聲強測試系統中DSP和ADC的接口電路

摘要：本文簡述了TMS320C5409與MAX125之間的硬件接口設計和軟件編程方法及其在聲強測試系統中的應用。

引言

隨著“綠色設計”的興起和人們對環境保護的意識增強，噪聲控制已成為現代工業發展的一項重大任務。而低噪產品設計很大程度上依賴于聲強測量。通過測量分析，可以了解產生振動和噪聲的原因，從而找到降低噪聲的有效途徑。過去的聲強測試系統中，一般基于單片機技術，數據處理能力差、可擴展空間小，只能實現時域分析。近年來，隨著信息處理技術的飛速發展，DSP在電子信息、儀器儀表等高科技領域得到了廣泛的運用。它具備特有的哈佛結構、多級流水線、硬件乘法器等特征，所以運算速度很快。如果將它運用于聲強測試系統中可實現實時頻譜分析，提高測試的精度。而MAX125是內部集成采樣保持電路和多路選通電路的ADC芯片，最多能實現4個通道的模擬信號同步采樣，非常適合多通道聲強數據采集系統。

聲強測試系統中的ADC模塊

聲強測試中，噪聲信號的頻率為20Hz~20KHz,且要求系統進行高精度多通道并行采樣。根據這方面的要求選擇MAXIM公司的MAX125。它是高速2x4通道同步采樣14位逐次比較型A/D轉換器芯片，內部集成采樣保持電路。在4通道工作模式下，ADC芯片最高可以支持76KHz的高速采樣。所以即使在4通道同時采樣的情況下，它也可以滿足聲強數據采集的要求。同時，模擬電路十分簡單，抗干擾能力強、精度也高。

如表1所示，MAX125有8種通道轉換方式，并通過A0~A3引腳編程實現。上電時，芯片自動選擇CH1A作為轉換通道。用戶可編程選擇CH1A-CH4A或CH1B-CH4B這兩組中的任何4個通道。

聲強測試系統中的DSP

聲強測試系統要進行實時信號分析，要求有較高運算速度，同時信號處理也需要較大緩存空間。在各種算法中，FFT變換是基礎，也最占時間，所以我們可用FFT驗證DSP速度是否符合要求。在FFT變換中，N點復數做FFT變換約需要2N×Log2N次實數乘法運算和3N×Log2N實時加法運算。如果選擇TI公司的TMS320VC5409，它的乘法和加法都是單周期指令，取N=1024，不計內存訪問和其它時間，則一次FFT所需時間為：10×5120×10ns約0.512ms。按4通道76KSPS的采樣頻率計算，1024點的采樣時間約為3.333ms，可見該DSP速度足以滿足要求。所以本系統選用TI公司的16位定點DSP—TMS320VC5409 (TI公司產品)。重要的是它片內具有32×16bit內部RAM，這對提高聲強測試系統的整體性能有很大的幫助。

圖1 聲強測試系統結構框圖

圖2 MAX125與C54的接口電路

聲強測試系統中MAX125與TMS320VC5409的接口

圖1為聲強測試系統的結構簡圖，圖中多路聲強信號在MAX125中實現A/D轉換后，采樣結果通過中斷方式輸入DSP中進行運算處理(FFT變換、相關分析、功率譜分析等)，處理結果由USB接口送至主控計算機存儲和顯示。CPLD實現模塊接口控制邏輯，包括地址跟隨、數據鎖存等功能，8254則為MAX125等提供時鐘信號，便于上位機對時鐘信號的控制。

MAX125與TMS320C54的接口電路示圖2，在系統中，多路聲強模擬信號分別接MAX125的CH1A-CH4A和CH1B-CH4B通道上，MAX125實現A/D轉換后通過接口讀入TMS320C54進行信號處理。MAX125與TMS320C54之間的接口設計主要要考慮兩個問題：3V和5V混合邏輯的設計：C54的外圍工作電壓為3.3V，而它的外圍器件包括MAX125一般工作在5V，必須為DSP和外圍芯片設計一個安全可靠的接口；速度匹配問題：MAX125的時序要求兩次讀操作之間的延遲時間不小于40nS, TMS320C54的指令執行周期為10nS.所以，DSP讀寫A/D時必須解決速度匹配問題。

如圖2所示，C54的數據總線掛有一個SN74LVT1645A，它是TI公司的3.3V和5V雙向收發器， SN74LVT1645A可以看作兩個8位收發器或一個16位收發器。收發的方向由兩個方向控制引腳(DIR)控制。這樣在數據總線上既可為DSP提供驅動5V數字電路的能力，也可為DSP提供5V信號讀入的保護。所以使用SN74LVT1645A可以為DSP擴展多個外設提供可靠的接口，解決了3.3V和5V混合邏輯設計問題。TMS320VC54X與慢速器件接口可采用硬件或軟件的方法插入等待狀態。軟件的方法插入等待狀態的方法是通過TMS320C54X內部一個軟件等待狀態寄存器實現的，它最多插入7可等待狀態，非常方便。通過分析在與MAX125接口中最多插入三個等待狀態即可，所以在接口中我們采用了軟件插入等待周期的方法。時鐘信號CLK和啟動轉換信號由可編程計數器/定時器8254為MAX125提供，8254則由上位機通過USB接口控制，從而上位機可以通過USB接口控制MAX125的采樣頻率。高速譯碼器SN74AHCT138用于產生MAX125所需的讀寫信號、和片選信號，簡化了電路結構。TMS320VC54和MAX125之間采了中斷控制的工作方式，在MAX125每完成一次A/D轉換以后，它通過中斷通知TMS320VC54讀取數據，在MAX125進行A/D轉換時，它不受MAX125的影響，這樣提高了TMS320VC54的工作效率。

MAX125與TMS320VC54接口程序

下面給出了MAX125中4通道采樣的接口程序，程序中采用中斷方式讀取數據。將MAX125的端口作為TMS320VC54擴展的外部存儲單元。

MAX125端口占用的地址空間為：

工作方式編程地址ADIN=8000;

獲取轉換結果的地址ADOUT＝800C

ADIN .set 8000h

ADOUT .set 800Ch

DSPIN .set 0800h ；0800h為DSP內部

數據緩存區間的首地址

中斷矢量程序

int2: B INT

NOP

.space 13*4*16

接口初始化程序

_c_int00:

LD #0,DP ;設置頁指針

STM #3000h,SP ;設置堆棧指針

SSBX INTM ;關閉所有中斷

STM #0F4BFh,SWWSR ;設置等待

發生器

ST #3h,ADIN ;設置B組四通道

采樣

STM #0F6FFh,SWWSR ;設置等待

發生器

STM #0FFFFh,IFR ;清除中斷標志

寄存器

STM #0004h,IMR ;開放中斷2

RSBX INTM ;開放所有中斷

中斷子程序

INT PSHM AR3

PSHM AR2

PSHM AR0 ;保護現場

STM #1,ARO

STM #2048,BK

STM #ADOUT,AR2

STM #DSPIN,AR3

RPT #3

MVDD *AR2,*AR3+0% ;

四次讀操作

POPM AR0

POPM AR2

POPM AR3 ;恢復現場

RETE

.end

程序設計中要注意下面的問題：

MAX125的時序要求兩次讀操作之間的延遲時間不小于40nS,而TMS320VC5409的指令執行周期為10nS。所以，TMS320VC5409讀寫A/D時必須插入等待周期.在進行存儲器寫操作時，TMS320VC5409需兩個機器周期；在進行存儲器讀操作時，TMS320VC5409只需一個機器周期。由此可以得出，在MAX125與TMS320VC5409的接口中，對MAX125的寫操作至少需要插入兩個機器周期；讀操作時至少需要插入三個周期。

結語

本接口電路簡單、成本低廉，充分利用了MAX125的多同道A/D轉換功能和TMS320VC5409較強的數據處理能力，滿足了多同道聲強測量的要求。目前，該電路已運用于安徽省十五重點項目“智能聲強測試系統”中，效果良好。

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接口電路(58358) 接口電路(58358)
聲強測試(6841) 聲強測試(6841)

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