多通道模／數轉換器AD7890與DSP的接口設計

??? 隨著工業技術進步，對數字控制伺服系統中執行效率和集成化程度的要求越來越高。比如用單處理器控制多個伺服系統時，對多通道A／D轉換的效率要求較高。以往較多地使用多路模擬開關與單通道A／D轉換器來實現，效率較低，使用模擬開關帶來的噪聲也比較嚴重。在此，選用串行多通道A／D轉換器AD7890與TMS320F2812處理器的SPI接口組成A／D轉換模塊，非常適合應用于多軸伺服系統。AD7890是一款8通道12位串行A／D轉換器，具有高轉換效率(轉換時間僅為5．9μs)、高速靈活的串行接口、多通道等優點。其中，AD7890-10輸入電壓范圍為-10～+10 V。TMS320F2812處理器上集成了多種先進的外設，為實現電機及其他運動控制領域的應用提供了良好的平臺，它所提供的SPI接口通常用于DSP處理器和外部設備及其他處理器之間的通信。SPI分主、從兩種工作方式，數據長度可編程(1～16 b)，并能同時進行接收和發送操作，通常用于DSP處理器和外部外設以及其他處理器之間的通信，這使它能很方便地與AD7890采用主／從模式進行通信。

1 AD7890工作模式和原理
??? AD7890的SMODE引腳是工作模式控制輸入端，它決定了器件是工作于外部時鐘模式(作為從設備)，還是內部時鐘模式(作為主設備)。當SMODE置于高電平時，器件工作在外部時鐘模式，由主設備提供時鐘信號SCLK和接收幀同步信號RFS，AD7890可接收的最大串行時鐘頻率達10 MHz；當SMODE置于低電平時，器件工作在內部時鐘模式，自身提供時鐘信號SCLK和接收幀同步信號RFS，其時鐘頻率由CLK引腳輸入時鐘頻率決定。本文以DSP作為主控制器，AD7890作為從設備，由DSP的SPI口提供串行時鐘。
??? AD7890通過片內高速雙向串行數據接口接收控制字和輸出轉換結果。通過向控制寄存器寫數據可以確定轉換通道、轉換開始信號等信息。其控制寄存器包含5位數據，因此至少需要6個SCLK脈沖才能完成對寄存器的寫操作。其中，A2，A1，A0分別為通道地址選擇最高位、次高位、最低位。通道選擇算法為：通道號=4A2+2A1+A2+1。發送數據的第5個SCLK脈沖下降沿過后的數據均為無效數據。控制字寫入寄存器后，器件即啟動內部延時脈沖，保證在轉換開始前跟蹤／保持器有足夠的時間來完成轉換通道的建立和切換。該延時脈沖寬度取決于引腳電容的CEXT值。一般引腳電容值取CEXT、120 pF或200 pF。據測試，此時延時脈沖寬度分別約為7．Oμs和9．6μs。向控制寄存器寫數據時CEXT，引腳電平由低變高，電容在第6個時鐘脈沖的下降沿開始放電，電壓降低至2．5 V以下時內部延時脈沖結束，同時A／D轉換開始，5．9μs后轉換結束。若此時串行讀操作已完成，且RFS已變高為高電平，則用新的轉換結果更新輸出寄存器。至此，一次A／D轉換結束。圖1為AD7890工作原理圖，從示波器獲取的圖片顯示了CEXT引腳電平、SCLK脈沖與A／D轉換過程時間的關系。

2 AD7890工作時序與讀寫操作方法
??? 控制AD7890的轉換開始有兩種方法。一是，硬件控制，即將CONVST引腳置低，器件產生一個窄低電平脈沖，在脈沖的上升沿A／D轉換開始，前提是須向CONV位寫0；二是，軟件控制，即向控制寄存器的cONV位寫1，此時CONVST引腳不起作用。二者區別在于，采用硬件控制轉換開始時，在CONVS麗上升沿啟動轉換，此時必須保證內部延時脈沖已經結束；對于軟件控制，內部延時脈沖結束時轉換立即開始。需要說明的是，在向控制寄存器寫數據時，6個寫操作時鐘脈沖結束前，發送幀同步信號TFS必須保持低電平，否則寫操作不能成功。而讀取A／D轉換結果期間，接收幀同步信號RFS必須保持低電平。RFS和TFS連在一起，使SPI口的讀、寫操作同時進行。以DSP作為主設備，AD7890作為從設備，即工作在外部時鐘模式下，此時讀、寫操作時序分別如圖2所示。DSP的SPISTE麗引腳具有從設備片選功能，該引腳為低時可向從設備發送數據，文中將該引腳作為通用收、發幀同步信號來控制RFS和TFS。

3 AD7890與TMS320F2812的SPI接口硬件實現
??? TMS320F2812是TI公司推出的數字信號處理器，它在電機控制方面性能優越，使其在工業控制中得到了非常廣泛的應用。它所提供的串行外設接口(SPI)是一個高速同步的串行輸入／輸出口，包含4個外部引腳：從輸出／主輸入引腳(SPISOMI)、從輸入／主輸出引腳(SPISIMO)、從發送使能引腳(SPISTE)、串行時鐘引腳(SPICLK)。SPI主要特點是可以同時發送和接收串行數據；可以當作主機或從機工作；提供頻率可編程時鐘；發送結束中斷標志。

??? 確定DSP的低速外設時鐘LSPCLK后，通過波特率控制寄存器SPIBRR，確定波特率SCLK。波特率具體計算方法是：當SPIBRR=3～127時，SCLK=LSPCLK／(SPIBRR+1)；當SPIBRR=0，1，2時，SCLK=LSPCLK／4，因此共具有125種可編程波特率。文中，DSP的工作頻率為120 MHz，低速時鐘LSPCLK為30 MHz，故可編程波特率范圍為234．375 kb／s～7．5 Mb／s。通過提高系統低速時鐘，可以提高可編程波特率范圍；通過選較高的波特率，能提高數據傳輸速率，即提高A／D的轉換效率。AD7890-10與TMS320一F2812的SPI接口硬件連接框圖如圖3所示。

? 由于AD7890-10數據電平為5 V，而TMS320F2812的I／O所能承受的電壓最高為3．3 V，因此必須對A／D轉換結果進行電平轉換，將其轉換為I／0口可承受的電壓。把5 V電平轉為3．3 V電平有多種方法。常用的有兩種。一是選用專門的電平轉換器件，如TI公司的SN74I．VTHl6245；二是把A／D轉換結果通過系統中CPLD的I／O口再輸出到DSP，前提是所選CPLD可承受輸入電壓為5 V，而輸出為3．3 V。本文采用后一種方法，選用的是Altera公司的EPM7128ST1100-10，給CPLD的I／O口供3．3 V電源即可滿足要求。將A／D數據通過一個CPLD的一個I／O口轉接，經軟件進行邏輯處理后輸出至DSP即可。需要注意的是，為避免噪聲干擾，AD7890的所有未用引腳不能懸空，必須接可承受范圍內的固定電平。實驗表明，特別是CLKIN引腳不能懸空，否則可能導致A／D轉換不能成功。對于AD7890-10，當未使用的輸入通道電壓值低于-12 V時會對所選其他通道的轉換造成嚴重干擾。文中采取的方法是將外部時鐘輸入引腳SCLK與內部時鐘輸入引腳CLKIN相連，可以有效去除干擾。

4 軟件讀寫實現
??? 對于SPI接口而言，數據與串行時鐘脈沖是同時產生的，即只有數據線上有數據傳送時才產生時鐘脈沖。所以發送控制數據結束后，DSP收到的數據并不是真實的A／D轉換結果，但需要讀取接收緩沖寄存器數據使SPI復位。多次實驗表明，對于單次A／D轉換，在轉換結束后需要再向AD7890發送2次空控制數據0x0000，之后DSP的SPI接收緩沖寄存器中的數據才是正確的A／D轉換結果，即每次A／D采樣循環需要進行三次數據交換才能得到有效A／D轉換數據。采用查詢方式判斷數據是否發送結束，即SPI狀態寄存器SPIINT FLAG位為1時表示已完成數據發送。軟件實現A／D轉換的流程框圖如圖4所示。

??? 對于AD7890-10，A／D轉換結果數據為二進制補碼格式，且包含通道數據，因此讀取結果后應根據需要對數據進行適當處理，包括屏蔽通道選擇數據和進行碼制轉換等，以便換算成系統所需要的數字量。為便于處理，將-10～+10 V電壓對應的碼值轉換為0～4 096。文中處理方法為：將轉換結果高四位通道數據屏蔽后，若A／D輸入為正電壓，則獲取低12位結果與0x0800相加得到處理后的數據；若A／D輸入為負電壓，則將補碼轉換成原碼后與0xF800作差獲取處理結果。
??? 經多次測試，得到A／D轉換子程序運行時間(即一次A／D轉換總耗時)與波特率對應關系如表1所示。

??? 從表1中可以看出，為提高轉換效率，應在可承受范圍內選擇盡可能高的波特率，但不應超過AD7890-10的上限值10 Mb／s。對文中SPI接口的實際應用表明，A／D轉換性能非常穩定，效率較高，轉換精度高，誤差僅為±1碼，約4．88 mV。

5 結 語
??? 用DSP的串行外設接口SPI與串行多通道A／D轉換器AD7890組成數字伺服系統A／D轉換功能實現模塊，能完成8個通道模擬量到數字量的轉換，效率較高，接口簡單，性能穩定。通過選擇較高的波特率可以縮短數據傳輸時間，提高A／D轉換效率。當DSP提供的外部時鐘SCLK為AD7890所能承受的最高值10 MHz時，單個通道徹底完成一次A／D轉換僅需12．4μs。本文所做的接口設計為多軸數字控制系統的A／D轉換模塊提供了一種實用的選擇與參考。