??? 隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號(hào)的技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到測繪?控制等眾多領(lǐng)域。將模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出接口的A/D轉(zhuǎn)換器正在向低功耗?高速度?高分辨率的方向發(fā)展。同時(shí)，對(duì)于信號(hào)采集系統(tǒng)的要求也變得更高?更多樣。本文介紹利用高效靈活的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7656與高性能數(shù)字信號(hào)處理器ADSP 21369實(shí)現(xiàn)的多路信號(hào)采集系統(tǒng)。?

1 系統(tǒng)芯片簡介?

　　本采集系統(tǒng)采用AD7656為前端ADC，利用ADSP 21369實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收處理。?

　　AD7656是ADI公司的一款高性能ADC，它具有6個(gè)獨(dú)立ADC通道，采用iCMOS處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)6通道16bit逐次逼近(SAR)采樣，每個(gè)通道最高可達(dá)250kS/s的吞吐速率。具有低功耗寬輸入帶寬的特點(diǎn)，50kHz輸入頻率下SNR為86.5dB。片上有2.5V基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器，支持并行?串行以及菊花鏈接口模式，支持軟硬件配置方式。?

　　ADSP 21369是ADI SHARC系列處理器的第三代產(chǎn)品，具有出色的處理性能。數(shù)字音頻接口(DAI)和數(shù)字外設(shè)接口(DPI)都可以通過用戶自定義訪問系統(tǒng)外設(shè)。這些自定義訪問接口，運(yùn)用靈活，配置也十分簡便。?

　　本系統(tǒng)就是通過DAI訪問數(shù)據(jù)接收的SPORT0口， 通過DPI配置產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)的FLAG信號(hào)。具體應(yīng)用將在后面的章節(jié)里詳細(xì)介紹。?

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

　　整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由AD7656實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，利用ADSP 21369接收采集到的數(shù)據(jù)，恢復(fù)波形。下面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理進(jìn)行介紹。?

2.1 AD7656外圍配置?

　　AD7656有非常靈活的工作方式配置，可以采用軟硬件可選的配置方式，支持串行和并行等數(shù)據(jù)傳輸方式，串行輸出還可以選用三通道?雙通道以及單通道三種模式。本系統(tǒng)采用硬件配置方式，避免了繁瑣的軟件編程以及相應(yīng)通信接口的設(shè)計(jì)，僅通過配置外部控制管腳的電平便可實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片工作方式的設(shè)置。串行接口通信方式簡單。基于開發(fā)效率以及系統(tǒng)復(fù)雜度的綜合考慮，本設(shè)計(jì)使用硬件配置方式，選用了6通道采集單通道串口傳輸?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸。?

　　選用硬件配置的方式，設(shè)置H/S SEL為低電平;選用單通道數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置SEL A=1，SEL B=0，SEL C=0，數(shù)據(jù)將從DOUTA通道輸出。同時(shí)所有通道的CONVST信號(hào)連接在一起，保證所有通道同步采樣。設(shè)置SER/PAR管腳為高電平，使用串行方式傳送數(shù)據(jù)。?

2.2 AD7656與DSP的接口設(shè)計(jì)?

　　AD7656的串口工作時(shí)序如圖1所示， 通過CONVST信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過程，BUSY標(biāo)志著AD7656的工作狀態(tài)，BUSY為高時(shí)表示處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換完畢后，BUSY信號(hào)變低，CS信號(hào)置低使數(shù)據(jù)在時(shí)鐘節(jié)拍下發(fā)送出去。?

?

　　由于AD7656發(fā)送數(shù)據(jù)不是完全連續(xù)的，所以DSP需要在同步信號(hào)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。ADSP 21369的幀同步信號(hào)可以采用輸入或輸出兩種方式，而且有效電平也可以設(shè)置，應(yīng)用十分靈活。在幀同步信號(hào)FS啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)將隨著時(shí)鐘節(jié)拍被讀取。?

　　值得注意的是，由于AD7656轉(zhuǎn)換過程只需要3μs， BUSY信號(hào)高電平脈寬很窄，無法滿足DSP所需幀同步信號(hào)脈寬的要求，不能直接充當(dāng)DSP的幀同步信號(hào)使用。為了準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢的時(shí)刻，利用BUSY信號(hào)作為中斷源，每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢時(shí)產(chǎn)生一個(gè)外部中斷。在中斷中，啟動(dòng)串口。由DSP發(fā)出的幀同步信號(hào)作為AD7656的CS信號(hào)，數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換過程中，CS保持高電平，此時(shí)無數(shù)據(jù)輸出;轉(zhuǎn)換完成后才使CS有效，以完成數(shù)據(jù)的傳輸。這樣既能及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，又不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。?

　　圖2展示了AD7656和ADSP的接口連接。采用通用I/O管腳產(chǎn)生周期性的CONVST信號(hào)，轉(zhuǎn)換完畢以后產(chǎn)生中斷，進(jìn)入傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，配置好的SPORT口發(fā)送同步信號(hào)使能CS，同時(shí)提供時(shí)鐘讀取數(shù)據(jù)。

2.3 DSP SRU設(shè)置?

　　ADSP 21369具有信號(hào)路由單元(SRU)，可以根據(jù)需要自定義與DAI及DPI相關(guān)的系統(tǒng)外設(shè)訪問，提高了管腳的復(fù)用率以及系統(tǒng)的靈活性。?

????SRU的配置也十分簡便，可以直接使用宏定義SRU(input，output)，也可以利用VDSP中的工具進(jìn)行可視化連接，然后自動(dòng)生成所需的配置代碼。本系統(tǒng)利用SRU對(duì)SPORT口的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行配置，部分配置代碼如下:?

void InitSRU()?

{?

　　SRU(HIGH，PBEN01_I);//SPORT0_CLK-->DAI_PIN1?

　　SRU(SPORT0_CLK_O，DAI_PB01_I);?

　　SRU(LOW，PBEN20_I);//DAI_PIN20-->SPORT0_DA?

　　SRU(DAI_PB20_O， SPORT0_DA_I);?

　　//其余管腳定義類同?

}?

2.4 軟件設(shè)計(jì)?

　　數(shù)據(jù)采集主要是CONVST信號(hào)的發(fā)送和檢測由BUSY信號(hào)引起的IRQ中斷信號(hào)。軟件延時(shí)產(chǎn)生一定頻率的CONVST采樣信號(hào)啟動(dòng)AD7656進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完成后BUSY脈沖引起DSP的IRQ中斷，在中斷程序中配置使能SPORT口，為數(shù)據(jù)傳輸提供幀同步和時(shí)鐘信號(hào)。每次數(shù)據(jù)接收完畢，進(jìn)入SPORT中斷，對(duì)下一次數(shù)據(jù)接收地址進(jìn)行配置，關(guān)閉SPORT口避免數(shù)據(jù)的誤讀。圖3為數(shù)據(jù)采集流程。?

?

3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果及性能分析?

3.1 數(shù)據(jù)采集結(jié)果?

　　AD7656具有6個(gè)輸入通道，選用通道5作為信號(hào)源輸入端口(每個(gè)通道工作情況一致，此處僅以通道5為例說明)。ADSP 21369按照各通道存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，利用Visual DSP++的spot窗口(View->Debug Windows->Plo))觀察各通道數(shù)據(jù)接收情況，如圖4所示。由圖中結(jié)果可以看出，連接信號(hào)源的通道能夠成功恢復(fù)波形，其余接地通道都是小幅度噪聲，結(jié)果符合預(yù)期期望。?

?

3.2 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序?

　　圖5為一幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)測時(shí)序。其中，Ch1表示SPORT口時(shí)鐘信號(hào);Ch2是AD7656的BUSY信號(hào); Ch3是ADSP SPORT口幀同步信號(hào); Ch4是ADSP接收數(shù)據(jù)信號(hào)?？梢郧宄吹?，BUSY信號(hào)產(chǎn)生后，經(jīng)過一段時(shí)延即產(chǎn)生幀同步信號(hào)，相應(yīng)使能了AD7656的CS信號(hào)，同時(shí)提供時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)隨著時(shí)鐘節(jié)拍成功傳輸。?

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3.3 系統(tǒng)最大性能估算?

　　根據(jù)AD7656手冊(cè)可知，AD7656的SCLK可接受的輸入上限為18MHz，處理器串口時(shí)鐘可達(dá)50MHz，所以AD7656的時(shí)鐘范圍是限制本系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。由此推算本系統(tǒng)能達(dá)到的最高采樣率。?

　　本系統(tǒng)采用FLAG信號(hào)利用軟件延時(shí)作為CONVST信號(hào)的輸入，單路串行輸出6通道數(shù)據(jù)，每個(gè)通道有16bit數(shù)據(jù)，這就意味著每個(gè)采樣周期至少要保證16×6個(gè)時(shí)鐘周期才能確保6個(gè)通道數(shù)據(jù)接收完整。根據(jù)SCLK最高18MHz的傳輸能力可知，理論上最高采樣率為18/96=187.5MHz。?

　　但是由于每個(gè)采樣周期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換還將消耗一定時(shí)間，在采樣率較高的情況下，轉(zhuǎn)換所消耗的時(shí)間已經(jīng)不能忽略，所以實(shí)際上系統(tǒng)無法達(dá)到此速度。下面將推導(dǎo)實(shí)際能達(dá)到的最高速度。?

　　假設(shè)采樣周期為Tconvst，通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，所以 Tconvst-3代表采樣周期中傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間。6通道總數(shù)據(jù)量為96個(gè)時(shí)鐘周期，所以(Tconvst-3)/96近似為每bit數(shù)據(jù)的時(shí)鐘周期。由于sclk最大為18MHz，因此該模式下最高采樣頻率為:?

　　(Tconvst(max)-3)/96=1/18?

　　Tconvst(max)≈8.33μs?

　　即最高采樣率為1/Tconvst(max)=120kS/s?

????同理可知，若采用三口同時(shí)輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實(shí)際最高采樣率能達(dá)到209kS/s。與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致。?

????利用AD7656和ADSP 21369成功實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并且能夠達(dá)到較高的采樣率，具有很大的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活方便。由于處理器的高性能還具有良好的擴(kuò)展性，可以結(jié)合其他設(shè)備應(yīng)用于ADC的眾多領(lǐng)域。?

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參考文獻(xiàn)?

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