基于CPCI總線的智能A／D，D／A模塊設(shè)計(jì)

0 引 言

??? 在工業(yè)控制領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)采集和控制功能，經(jīng)常會(huì)使用到A／D，D／A模塊。在實(shí)際使用中A／D，D／A模塊和主機(jī)之間通信方式可以有很多選擇。比如RS 232，RS 422，網(wǎng)絡(luò)等接口方式。在該設(shè)計(jì)中A／D，D／A模塊通過(guò)CPCI總線與主機(jī)通信，通過(guò)A／D接口采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)伺服控制軟件處理，輸出模擬量驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

??? 從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)的控制。另外通過(guò)對(duì)DSP軟件的修改，該模塊還可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)A／D或者D／A功能。

??? 該設(shè)計(jì)中A／D，D／A模塊具備以下功能：

??? (1)提供2路16位A／D，輸入信號(hào)范圍±5 V，精度要求小于士16 LSB；

??? (2)提供2路16位D／A，輸出信號(hào)范圍±5 V，精度要求小于土8 LSB，受系統(tǒng)復(fù)位控制；

??? (3)使用TI公司DSP(TMS320VC33)作為板載處理器，該DSP主要實(shí)現(xiàn)管理A／D和D／A、運(yùn)行控制算法、與主機(jī)通信功能，并受系統(tǒng)復(fù)位控制；

??? (4)DSP與主機(jī)采用雙口RAM(IDT7133)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。

1 設(shè)計(jì)原理

??? 如圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖所示，該模塊采用TI公司高性能CPU器件TMS320VC33為核心。模塊通過(guò)PCI9052芯片與CPCI總線連接，PCI9052的本地總線的信號(hào)連接到雙口RAM的一端。雙口RAM的另一端通過(guò)電平緩沖器連接DSP。

??? DSP核心電路包括DSP芯片TMS320VC33、數(shù)據(jù)RAM CY7C1041VC33、程序FLASH芯片SST39VF800A組成；DSP的地址、數(shù)據(jù)、控制總線通過(guò)電平緩沖器件連接雙口RAM、A／D芯片、D／A芯片、CPLD。DSP通過(guò)雙口RAM芯片與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；A／D芯片的初始化以及讀寫操作也由DSP負(fù)責(zé)完成；DSP控制D／A芯片輸出模擬信號(hào)；CPLD內(nèi)部主要實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能，將DSP輸入的控制信號(hào)譯碼，然后輸出給雙口RAM以及A／D，D／A等功能芯片使用。

??? 雙口RAM芯片是實(shí)現(xiàn)智能板的重要組成，由于DSP與主控計(jì)算機(jī)的地址空間資源是分別進(jìn)行獨(dú)立分配的，無(wú)法直接進(jìn)行互相訪問(wèn)，在兩者之間需要一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖，雙口RAM的特點(diǎn)使其可以滿足這個(gè)要求。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2．1 主要原器件選擇

??? 在該設(shè)計(jì)中采用成熟技術(shù)，選用常用、可靠的控制芯片，結(jié)合一些常用的外圍電路和專用電路實(shí)現(xiàn)全部的功能。即選擇PC19052作為接口芯片，利用該芯片實(shí)現(xiàn)PCI總線從接口邏輯。

??? 選擇TMS320VC33作為板載處理芯片，該芯片是TI公司推出的專門用于實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算的高性能DSP，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，并且包含豐富的外圍電路擴(kuò)展接口。

??? 為了實(shí)現(xiàn)模塊上的電平轉(zhuǎn)換功能，選擇應(yīng)用比較廣泛SN74ALVC164245DL作為電平轉(zhuǎn)換緩沖芯片。

2．2 PCI9052與雙口RAM硬件接口實(shí)現(xiàn)

??? 如圖3所示PCI9052與雙口RAM連接的本地總線信號(hào)包括地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)3個(gè)部分。地址總線寬度為12位，數(shù)據(jù)總線寬度為16位，因此尋址空間為2 KB的16 b地址空間。控制信號(hào)包括讀寫控制信號(hào)和外設(shè)準(zhǔn)備完成信號(hào)，當(dāng)雙口RAM將外設(shè)準(zhǔn)備完成信號(hào)拉低后，主機(jī)就可以通過(guò)輸出讀寫控制信號(hào)對(duì)雙口RAM進(jìn)行讀寫的操作。

2．3 DSP設(shè)計(jì)核心電路設(shè)計(jì)

??? DSP是整個(gè)設(shè)計(jì)核心，DSP核心電路由DSP芯片、FLASH和RAM三個(gè)部分組成。DSP通過(guò)雙口RAM與處理計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)。

??? 如圖3所示，DSP核心電路設(shè)計(jì)如下所述。DSP的電源包括核心工作電壓1．8 V與I／O電壓3．3 V兩種，分別由板上電源模塊提供。時(shí)鐘信號(hào)由外接晶振提供。復(fù)位信號(hào)由CPLD提供，由于DSP的I／O電壓為3．3 V，在與I／O電平標(biāo)準(zhǔn)為+5 V的信號(hào)連接時(shí)需要進(jìn)行3．3～5 V之間的電平轉(zhuǎn)換。中斷信號(hào)同樣通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器件連接到CPLD。地址和數(shù)據(jù)總線根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要連接功能器件。JTAG接口連接到模塊的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙列14腳直插連接器上。Page0～3信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器件連接到CPLD。

2．4 電源設(shè)計(jì)

??? 系統(tǒng)電源包括+5 V．3．3 V，1．8 V，+15 V，-15 V。

??? DSP芯片核心電壓為1．8 V，I／O電壓為3．3 V，所以需要該板提供3．3 V和1．8 V兩個(gè)電壓源。D／A芯片需要提供+15 V，-15 V兩種電源。+5 V電源是由系統(tǒng)提供，其他的電源均由+5 V電源轉(zhuǎn)換獲得。

??? 對(duì)于線性穩(wěn)壓來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需元件數(shù)量少，輸入／輸出壓差可以很大，但其致命弱點(diǎn)就是效率低，功耗高。DC-DC電路的特點(diǎn)是效率高，升降壓靈活，缺點(diǎn)是干擾和紋波較大。

??? 對(duì)比凌特公司、國(guó)家半導(dǎo)體公司、德州儀器公司等的同類型電壓轉(zhuǎn)換芯片，選取德州儀器公司的TPS73HD318模塊作為3．3 V和1．8 V電壓轉(zhuǎn)換芯片。選用RECOM公：REC3-0515DRW完成+5 V和+15 V，-15 V之間電壓轉(zhuǎn)換。他們具有90％以上的轉(zhuǎn)換效率、簡(jiǎn)單的外圍電路、更小的封裝、2．5％以下的紋波電壓等特點(diǎn)。

2．5 復(fù)位設(shè)計(jì)

??? 如圖4所示，復(fù)位的輸入包括兩個(gè)部分：MAX1232輸出的RESETA和電源芯片TPS73HD318輸出的RESETB。MAX1232的輸入為手動(dòng)復(fù)位信號(hào)輸入和看門狗喂狗信號(hào)輸入。手動(dòng)復(fù)位信號(hào)來(lái)自復(fù)位按鈕，喂狗信號(hào)來(lái)自CPLD。復(fù)位輸出2個(gè)信號(hào)分別給DSP，D／A使用。

2．6 電平轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

??? 由于DSP的接口電平為3．3 V，CPLD和PC19052接口電平為5 V，為了將兩部分兼容起來(lái)，需要使用電平轉(zhuǎn)換緩沖芯片。如圖5所示該器件有兩個(gè)供電電源、兩個(gè)方向控制端、兩個(gè)使能端。通過(guò)連接不同的電壓源可以為器件的信號(hào)引腳提供不同的電平。

2．7 A／D，D／A設(shè)計(jì)

??? A／D和D／A芯片通過(guò)電平緩沖期間與DSP的地址數(shù)據(jù)總線連接，由DSP芯片負(fù)責(zé)A／D和D／A的初始化以及讀寫控制。

3 CPLD邏輯設(shè)計(jì)

??? CPLD片內(nèi)邏輯實(shí)現(xiàn)描述框圖見圖6。在CPLD內(nèi)部主要實(shí)現(xiàn)了三個(gè)的功能，與DSP總線的邏輯接口、內(nèi)部的寄存器、控制邏輯。

??? 與DSP總線的接口邏輯實(shí)現(xiàn)與DSP邏輯接口，使DSP對(duì)CPLD的內(nèi)部寄存器可以進(jìn)行訪問(wèn)。狀態(tài)寄存器為只讀寄存器，用來(lái)讀取中斷狀態(tài)、與雙口RAM進(jìn)行通信的標(biāo)志位等信息；控制寄存器為只寫寄存器，用來(lái)控制中斷屏蔽、修改通信的標(biāo)志位。組合邏輯主要用來(lái)進(jìn)行地址譯碼、讀寫譯碼。

4 DSP軟件設(shè)計(jì)

??? DSP軟件開發(fā)主要是在TI提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS下，充分利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP／BIOS的強(qiáng)大功能，結(jié)合自己特定的處理算法．快速構(gòu)筑一個(gè)滿足需求的高效率的軟件系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，對(duì)DSP的初始化是必須的，該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，其電路的主要功能是用于采集、運(yùn)算、輸出。程序流程圖如圖7所示，上電后存儲(chǔ)在FLASH內(nèi)的程序開始運(yùn)行，DSP開始依次初始化RAM存儲(chǔ)器、CPLD內(nèi)部寄存器、A／D寄存器、D／A寄存器。初始化完成后開始讀取A／D輸入，由于A／D轉(zhuǎn)換速度比讀取的速度慢，在讀取過(guò)程中需要查詢A／D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，等待A／D芯片輸出轉(zhuǎn)換完成信號(hào)。將讀取的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM的指定位置，并刷新雙口RAM和CPLD內(nèi)部的標(biāo)志位，通知主機(jī)讀取數(shù)據(jù)。對(duì)A／D數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果控制D／A輸出，等待查詢D／A轉(zhuǎn)換完成之后，程序再次跳轉(zhuǎn)至讀取A／D。

5 結(jié) 語(yǔ)

??? 將該設(shè)計(jì)用于某一伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性給予了足夠的關(guān)注。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間考核，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。