摘  要： 多輸入通道之間的相位誤差是title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要問題之一。采用六輸入通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器件AD73360和數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812設(shè)計(jì)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的接口電路和通信程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可用于多路輸入信號(hào)的同步采樣，實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的有效性。
　　關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集； AD73360； TMS320F2812

 　　多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般是在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等器件，其原理框圖如圖1所示^[1]。這類系統(tǒng)雖然可以采集多路模擬信號(hào)，但其實(shí)只有一路A/D轉(zhuǎn)換器，為了能夠采集多路模擬信號(hào)，只能利用模擬多路開關(guān)在多路模擬信號(hào)之間進(jìn)行切換。這樣做的好處是可以減少硬件成本和縮小板卡的尺寸，但是當(dāng)多個(gè)模擬信號(hào)巡回采樣時(shí)，各路信號(hào)之間必然存在采樣的時(shí)差。

　　本文利用AD73360、TMS320F2812設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包含6個(gè)以上可同時(shí)采樣的模擬通道，從而有效地減少了由于采樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的相位誤差。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡如圖2所示。A/D轉(zhuǎn)換器AD73360是一個(gè)包含6路模擬信號(hào)輸入通道的器件，每路通道均包含獨(dú)自的信號(hào)調(diào)理器、可編程放大器和16位的A/D轉(zhuǎn)換部分。這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬信號(hào)的同時(shí)采樣，以減小采樣的相位差。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)采用TMS320F2812，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器AD73360的控制和讀取采樣數(shù)據(jù)，從而減少了邏輯控制電路。計(jì)算機(jī)接口電路采用RS232C和RS485標(biāo)準(zhǔn)串行口實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)之間的通信。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換器AD73360
    AD73360具有6路16位分辨率的同時(shí)采樣通道，減少了由于采樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的相位誤差。各個(gè)通道的采樣速率可設(shè)為8kHz、16kHz、32kHz或64kHz，都有內(nèi)置的抗混迭濾波器和程控可變?cè)鲆娣糯笃??？梢约?jí)聯(lián)使用，最多可將8片級(jí)聯(lián)在一起。因此，模擬量輸入通道的最大數(shù)目可擴(kuò)展到48路。

　　AD73360使用同步串行接口SPORT與CPU相連。SPORT接口信號(hào)線只有6條，不僅節(jié)約了印刷電路板的面積，而且也減小了電磁干擾。DSP基本都支持同步串行接口，所以AD73360與DSP組成的測(cè)控系統(tǒng)簡(jiǎn)潔高效。

1.1.1 AD73360同步串行通信接口SPORT概述

　　AD73360同步串行通信接口SPORT包含6條信號(hào)線，分別是串行數(shù)據(jù)輸出端SDO、數(shù)據(jù)輸出幀同步端SDOFS、串行數(shù)據(jù)輸入端SDI、數(shù)據(jù)輸入幀同步端SDIFS、同步時(shí)鐘SCLK和串行接口使能端SE。該接口有三種工作方式：編程、數(shù)據(jù)以及混合方式。AD73360以“時(shí)分多址”的模式輸入和輸出數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是每一個(gè)通道的輸出數(shù)據(jù)占用固定的時(shí)間片，即使該通道被關(guān)閉，該時(shí)間片也不會(huì)被其他通道占用，此時(shí)數(shù)據(jù)輸出端SDO處于三態(tài)。圖3顯示了六個(gè)通道全部打開時(shí)數(shù)據(jù)輸出端SDO和數(shù)據(jù)輸出幀同步端SDOFS的時(shí)間波形，圖4則顯示了通道1、3、5打開時(shí)的輸出時(shí)間波形。AD73360每次上電或復(fù)位以后，自動(dòng)進(jìn)入編程狀態(tài)，每一個(gè)采樣周期輸出一個(gè)數(shù)據(jù)輸出幀同步信號(hào)SDOFS，如圖5所示。這樣DSP可利用此幀同步脈沖給AD73360寫入控制字。圖6為各管腳的信號(hào)時(shí)序圖^[2]。

1.1.2 AD73360控制寄存器

　　AD73360有8個(gè)控制寄存器，每個(gè)都是8位，如表1所示。其中前兩個(gè)控制寄存器CRA和CRB用來(lái)配置同步串行接口SPORT，可以設(shè)置數(shù)據(jù)率、主時(shí)鐘速率以及級(jí)聯(lián)芯片數(shù)目等參數(shù)。如果多個(gè)AD73360級(jí)聯(lián)，則其CRA和CRB的設(shè)置必須完全一致。其余6個(gè)寄存器用來(lái)控制各個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　向這些控制寄存器寫入數(shù)據(jù)時(shí)，要遵循一定的格式?？刂谱值母袷饺绫?所示。其中各個(gè)部分的含義如下：
　　(1) :該位為高時(shí)，表明這是一個(gè)有效控制字。
　　(2) :讀寫控制。
　　(3) 芯片地址：芯片級(jí)聯(lián)時(shí)用于確定接收數(shù)據(jù)的芯片。當(dāng)該地址為零時(shí)，表明當(dāng)前芯片接收該控制字；若不為零，則芯片將該數(shù)減一，并將控制字從SPORT發(fā)送給下一個(gè)芯片。
　　(4) 寄存器地址：選擇要寫入數(shù)據(jù)的控制寄存器，見表1。
　　(5) 寄存器數(shù)據(jù)：寫入或讀出的數(shù)據(jù)。

　　由于單片AD73360具有六個(gè)同時(shí)采樣的模擬量輸入通道，所以特別適合于三相制電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)控（三個(gè)相電壓和三個(gè)相電流同時(shí)采樣）以及電機(jī)控制等應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP

　　TMS320F2812是32位的定點(diǎn)DSP，主頻可達(dá)150MHz(時(shí)鐘周期6.67ns)，是目前用于測(cè)控系統(tǒng)、電機(jī)控制等領(lǐng)域中的熱點(diǎn)產(chǎn)品。芯片資源非常豐富，可簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)。串行通信模塊包括兩個(gè)SCI口和一個(gè)SPI口，CAN總線和多通道緩沖串口McBSP，能滿足多種串行通信模式的需要。本文利用TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP實(shí)現(xiàn)與AD73360的連接和數(shù)據(jù)傳輸。
　　TMS320F2812的McBSP有6條信號(hào)線。其中3條用于發(fā)送數(shù)據(jù)，分別是發(fā)送數(shù)據(jù)端MDXA、發(fā)送幀同步端MFSXA和發(fā)送時(shí)鐘MCLKXA。另外3條用于接收數(shù)據(jù)，分別是接收數(shù)據(jù)端MDRA、接收幀同步端MFSRA和接收時(shí)鐘MCLKRA^[3]。
　　McBSP能與多種串行接口器件直接通信，工作方式靈活，但同時(shí)也造成端口配置復(fù)雜。McBSP具有38個(gè)寄存器，由此可見其復(fù)雜程度。這些寄存器可分成四大類：數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、多通道寄存器和FIFO寄存器。要使McBSP正確工作，必須配置好這些寄存器，這就需要對(duì)McBSP的工作機(jī)制有深刻的理解。表3列出了部分寄存器，大部分屬于數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器，是在非FIFO和非多通道方式下需要用到的寄存器^[4]。值得注意的是，PCR和MFFINT雖然分別屬于多通道和FIFO寄存器，但是在非FIFO和非多通道方式下依然要用到。

　　這些寄存器中每一位的詳細(xì)含義請(qǐng)參閱TMS320F2812技術(shù)手冊(cè)，其中一些重要參數(shù)將在下面提到。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　在圖2所示的系統(tǒng)框圖中，A/D轉(zhuǎn)換器AD73360將模擬輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，TMS320F2812負(fù)責(zé)從AD73360讀取數(shù)字量并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果則通過RS232C和RS485標(biāo)準(zhǔn)串行口傳輸給上位機(jī)。在這個(gè)系統(tǒng)中，難點(diǎn)在于AD73360與TMS320F2812的接口設(shè)計(jì)。

2.1 AD73360與TMS320F2812的通信接口設(shè)計(jì)
　　AD73360具有一個(gè)同步串行通信接口SPORT與上位機(jī)通信，該接口可以很好地兼容現(xiàn)在大多數(shù)的DSP。本文利用TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP與AD73360進(jìn)行通信。

2.1.1 AD73360與TMS320F2812之間的連接方式
　　根據(jù)對(duì)AD73360的同步串行通信接口SPORT的分析可知，在首次上電和復(fù)位后AD73360便進(jìn)入編程狀態(tài)，自動(dòng)產(chǎn)生輸出幀同步信號(hào)，該信號(hào)不受外部器件的影響。所以在AD73360與TMS320F2812的通信接口中，AD73360應(yīng)為主設(shè)備，TMS320F2812應(yīng)為從設(shè)備。主從關(guān)系確定以后，才可以確定信號(hào)線的連接方式和程序設(shè)計(jì)。
　　兩者之間的信號(hào)線連接方式如圖7所示，AD73360的輸出幀同步端SDOFS不僅連接到DSP的兩個(gè)幀同步端MFSRA和MFSXA，而且還連接到自己的輸入幀同步端SDIFS。其同步時(shí)鐘SCLK端也同時(shí)連到DSP的兩個(gè)時(shí)鐘端MCLKXA和MCLKRA。另外，DSP的兩個(gè)通用I/O端口GPIOA0、GPIOA1則連接到AD73360的復(fù)位端和串行接口使能端SE，實(shí)現(xiàn)對(duì)AD73360的控制。

2.1.2 DSP的McBSP配置
　　McBSP的配置應(yīng)以AD73360的時(shí)序圖為依據(jù)。分析圖3～圖6，可以得出McBSP的一些重要參數(shù)如下：
　　(1) 發(fā)送幀同步MFSXA為高電平有效，F(xiàn)SXP=0。
　　(2) 接收幀同步MFSRA為高電平有效，F(xiàn)SRP=0。
　　(3) 幀同步均為輸入，F(xiàn)SRM= 0，F(xiàn)SXM=0。
　　(4) 發(fā)送時(shí)鐘MCLKXA和接收時(shí)鐘MCLKRA均為輸入，CLKXM=0，CLKRM=0。
　　(5) 數(shù)據(jù)輸出在發(fā)送時(shí)鐘的上升沿，CLKXP=0。
　　(6) 數(shù)據(jù)接收采樣在接收時(shí)鐘的下降沿，CLKRP=0。
　　(7) 單相幀，RPHASE=0，XPHASE=0。
　　(8) 每幀一個(gè)字，RFRLEN1=00b，XFRLEN1=00b。
　　(9) 每個(gè)字16位，RWDLEN1=010b，XWDLEN1=010b。
　　(10)數(shù)據(jù)延遲為1位，RDATDLY=01b，XDATDLY=01b。
　　確定了以上各個(gè)參數(shù)的值，才可以在程序中正確配置McBSP的各個(gè)寄存器。
2.1.3 DSP程序設(shè)計(jì)
　　DSP程序采用C語(yǔ)言編寫，在TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS2.0下調(diào)試通過。程序流程如圖8所示，主要包括DSP端口（GPIO和McBSP）初始化、AD73360初始化（復(fù)位和輸出控制命令）、等待接收A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)等步驟。

　　初始化GPIO主要是配置GPIOA0和GPIOA1，分別控制AD73360的復(fù)位端和串行接口使能端SE。初始化McBSP是按照上文所述的重要參數(shù)值配置各個(gè)寄存器，使McBSP的工作方式與AD73360吻合。各寄存器的具體值如下：
　　RCR2 = 0x0041；
　　RCR1 = 0x0040；
　　XCR2 = 0x0041；
　　XCR1 = 0x0040；
　　SRGR2 = 0x2000；
　　SRGR1 = 0x0101；
　　PCR = 0x0000；
　　MFFINT = 0x0004；
　　初始化AD73360的流程如圖9所示。TMS320F2812與AD73360接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分是AD73360的初始化。由于AD73360是主設(shè)備，TMS320F2812是從設(shè)備，所以幀同步信號(hào)由AD73360發(fā)出。TMS320F2812需要在每個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)之前準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)，要做到這一點(diǎn)，首先，在AD73360開始工作前將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器DXR1中；然后，將AD_SE置為高電平，AD73360的SPORT開始工作。當(dāng)幀同步信號(hào)到來(lái)后，DSP將數(shù)據(jù)發(fā)送給AD，同時(shí)接收數(shù)據(jù)。隨后及時(shí)將下一個(gè)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器DXR1中。這樣在每一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，DXR1中都有正確的數(shù)據(jù)以供發(fā)送。

　　AD7336初始化完成后，就自動(dòng)采樣并輸出采樣數(shù)據(jù)。為了提高DSP程序的效率，應(yīng)采用中斷方式接收測(cè)量數(shù)據(jù)。TMS320F2812的中斷系統(tǒng)通過外設(shè)中斷擴(kuò)展PIE（Peripheral Interrupt Expansion）模塊來(lái)控制。PIE可以支持96個(gè)獨(dú)立中斷，并分成12組，每組8個(gè)中斷。通過切換開關(guān)，可以使每組中斷對(duì)應(yīng)一個(gè)CPU內(nèi)核中斷線，12組共需12根CPU內(nèi)核中斷線(INT1～I(xiàn)NT12)。McBSP的接收中斷MRINT位于第6組的第5位，中斷初始化程序不再贅述。
2.2 兩片AD73360級(jí)聯(lián)與TMS320F2812的接口設(shè)計(jì)
　　如果想要增加模擬通道的數(shù)目，可以將多片AD73360級(jí)聯(lián)起來(lái)。如圖10所示，兩片AD73360級(jí)聯(lián)起來(lái)可以獲得12個(gè)模擬通道。AD73360片1的SDI接DSP的MDXA，SDO、SDOFS分別接片2的SDI、SDIFS。AD73360片2的SDO接DSP的MDRA、SDOFS則接片1的SDIFS和DSP的MFSXA、MFSRA。數(shù)據(jù)的流程可以歸納為：(1)流出DSP方向：DSP→AD73360片1→AD73360片2；(2)流入DSP方向：AD73360片1→AD73360片2→DSP。

　　采樣數(shù)據(jù)的輸出時(shí)序如圖11所示，兩片AD73360交替輸出。

　　DSP程序的設(shè)計(jì)中，初始化GPIO和McBSP部分均與上文單片AD的情況比較類似，但是初始化AD73360部分不盡相同，如圖12所示。

　　兩片AD級(jí)聯(lián)時(shí)程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制字的輸出必須交替進(jìn)行，即先輸出AD73360片2的一個(gè)控制字，再輸出片1的一個(gè)控制字，順序不可顛倒，直到所有的控制字發(fā)送完。根據(jù)DSP輸出數(shù)據(jù)的流程，其發(fā)出的控制字先到片1。片1接到片2的控制字時(shí)，驗(yàn)證該控制字的芯片地址位不為0，將該地址位減1，在下一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)發(fā)給片2，而此時(shí)片1也接收到了自己的控制字。CRB和CRA控制AD芯片的工作模式和啟動(dòng)，必須配置成一樣，并且同時(shí)到達(dá)各自的AD芯片。若不同時(shí)到達(dá)，則片1和片2不能同時(shí)啟動(dòng)工作，接口設(shè)計(jì)失敗。
　　為了保證設(shè)計(jì)成功，充分利用DSP的McBSP具有雙緩沖的特點(diǎn)，提前將兩個(gè)控制字寫入DXR中，保證在任意時(shí)刻McBSP都至少有一個(gè)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)，避免幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)McBSP沒有有效數(shù)據(jù)發(fā)送。這樣兩片AD可在相同時(shí)刻接到相應(yīng)的控制字，并同時(shí)啟動(dòng)。這在多片AD73360級(jí)聯(lián)工作時(shí)至關(guān)重要。
　　由于提前寫入了兩個(gè)控制字，所以最后要單獨(dú)讀一次數(shù)據(jù)，使最后一個(gè)控制字發(fā)送出去。至于程序其余部分與單片AD73360接口設(shè)計(jì)類似，不再敘述。兩片AD73360級(jí)聯(lián)與DSP的接口設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展成多片AD73360級(jí)聯(lián)的設(shè)計(jì)。
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的問題是模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的隔離。本文采用兩項(xiàng)措施實(shí)現(xiàn)隔離：(1)DSP和AD73360分別用不同的隔離電源供電；(2)DSP與AD73360之間的接口線路用光耦隔離。這樣可以取得比較好的隔離效果。
　　利用AD73360和TMS320F2812設(shè)計(jì)了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模擬通道的同步采樣，解決了多通道采樣的時(shí)差問題，滿足了系統(tǒng)的要求。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于三相制電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)是完全可行的。

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