羅軼群,代作曉 發表於 2020-12-23 10:16:49
用於實時控制系統的嵌入式系統經常需要對模擬量進行測量，通常的方法是以MCU為主產生採集控制時序控制模數轉換器，並通過中斷或查詢的方式讀取轉換後的結果。由MCU產生採集控制時序將佔用較多的系統軟硬體資源。而在一般複雜的多路信號測控系統中，MCU需要進行數據存儲，通訊，數據處理等多項工作，如果再需要其頻繁地產生模數轉換控制器的控制時序，將會影響系統的性能，嚴重時將會成為系統的瓶頸。本文採用CPLD產生A／D轉換器的控制時序，使得CPLD主要實現A／D時序控制的功能，DSP主要實現閉環控制算法的功能。
1 系統總體結構
系統以DSP和CPLD為核心，模擬信號從模擬多路開關CD4067接人，利用CPLD進行使能其輸入。使用DSP的GPIO口作為模擬多路開關的通道號的選擇。A／D轉換器使用MAXIM公司的MAX194，其控制時序由CPLD產生。當A／D轉換結束後，將會產生一個EOC信號，該信號作為LF2407的外部中斷，當DSP接收到該轉換結束信號，進入相應的外部中斷程序，使用SPI總線來接收A／D轉換的數字值，並進行相應的處理。系統的總體結構圖如圖1所示。
2 硬體設計
2.1 主控DSP晶片TMS320LF2407A
系統的主控制器採用了TMS320LF2407A，3.3 V靜態CMOS工藝，40 MIPS，具有16位地址總線，16位數據總線，3個獨立的存儲空間，包括可用的64 kB程序空間，35.5 kB數據空間以及64 kB的I／O空間。訪問不同的存儲空間時，DSP有相應的引腳作為選通信號，PS對應程序空間，DS對應數據空間，IS對應IO空間，均為低電平有效。本系統將MAX194 A／D轉換器映射到I／O空間0000H-7fffH，其使能的邏輯表達式為：CS=A15+IS。多路模擬開關映射到I／O空間的8000H-ffffH，其使能邏輯表達式為：CS=A15+IS。式中IS是I／O空間選通信號線。
TMS320LF2407A的內部具有32 kB FLASH程序存儲器，2.5 kB RAM數據存儲器。FLASH可滿足DSP系統程序存儲的需要，而2.5 kB的數據存儲器可能不夠。而且研發階段一般將程序寫在RAM上，所以設計選用了Cypress Semiconductor公司的CY7C1021V33的SRAM，該SRAM為64 kB，設計中設定0000H-7ffffH為程序空間，8000H-ffffH為數據空間。外擴SRAM的邏輯表達式為：CS=（A15+PS+DS）（A15+PS+DS）。式中CS是SRAM的片選信號線，A15是DSP的第16根地址線，PS是程序空間選通信號線，DS是數據空間選通信號線。
2.2 模數轉換模塊MAX194
TMS320LF2407A晶片內置16通道A／D轉換器，但是只能輸入單極性電壓，只有10位的解析度，精度很不理想，所以需要外擴A／D轉換晶片。經過多方比較，筆者選用了MAXIM公司的MAXl94晶片，它是一種逐漸次比較型的模數轉換器，具有高精度，低功耗等特點。MAX194的內部設有校準電路，用於保證全溫度範圍內的線性度，且不需要外部的調整電路。分開的模擬和數字供電，最大限度地減少了數字耦合噪聲。其主要特徵有：14位解析度，1／2 LSB非線性度，82 dB的信噪比，低功耗，單極性或雙極性輸入，三態串行輸出。
MAX194具有兩種接口模式：同步模式和異步模式。同步模式：MAX194在轉換過程中，每轉換完一個，數據位就輸出一位。此時，SCLK應該接地，CLK即作為ADC的轉換時鐘又作為串行接口的移位輸出時鐘。異步模式：DSP只能在MAX194完成一次轉換之後才能將轉換結果讀出，然後啟動下一次的轉換。這種模式降低了MAX194連續轉換的速度。
使用CPLD來控制MAX194，可以方便地控制MAX194工作在同步或者異步狀態，而不需要對硬體電路做任何改動，僅需要修改CPLD中的程序即可。本設計將MAX194設定在異步工作模式下，MAX194異步模式時序圖如圖2所示。
根據圖2所示的時序圖，將採樣控制過程分成了4個狀態：
（1）初始狀態：MAX194採樣控制信號初始化，各採樣控制狀態置零。
（2）啟動採樣狀態：將MAX194的啟動轉換信號START置低並保持至少兩個CLK周期。
（3）轉換結束狀態：將MAX194的啟動信號START置高並檢測轉換結束狀態信號EOC，當它由高電平變成低電平時即表示轉換已經結束。因此，這個狀態與上個狀態一樣是看EOC信號是否有變化，若是有變化，則轉到下個狀態，若是沒有變化，則將一直在這個狀態中循環，直到EOC信號有變化為止。
（4）轉換結果輸出狀態：將MAX194的晶片使能信號CS置低，DSP通過SPI口將A／D轉換得到的數據傳人DSP中。
根據以上工作狀態的描述，使用了VHDL語言編寫了A／D轉換採樣控制模塊的程序，並進行了仿真，仿真結果如圖3所示。從仿真圖中看出設計的A／D轉換控制模塊是完全符合設計要求的。
3 軟體設計
TMS320LF2407A是基於C2000平臺的，提供兩種程式語言：C／C+十語言或彙編語言。其中，C語言編寫的程序可讀性、可移植性強，且大大縮短了開發周期，但執行效率低，程序出錯時不易診斷。彙編語言程序效率高，但編寫比較繁瑣。通常做法是程序核心部分（即經常調用部分）採用彙編語言編寫，以提高整個系統的執行效率，對實時性要求不高的部分採用C語言編寫以降低程序的複雜度，提高程序的可讀性和可修改性。本文採用C語言和彙編語言混合編寫的多文件結構，主要包括主程序、讀取A／D轉換結果的中斷程序的設計。
軟體流程如圖4所示。主要分成三部分：SPI配置部分，模擬開關控制部分，A／D轉換控制和轉換結果的讀取。
3.1 SPI配置部分
對於LF2407A，串行SPI外設接口有9個寄存器，用於控制其操作。在本設計中將LF2407A的SPI接口設定在主模式下，在該模式下，採用主控制器發送偽數據，從控制器發送數據。主控制器可在任何時刻啟動數據傳送，因為它控制著SPICLK信號。但軟體決定了主控制器如何檢測從控制器何時準備發送數據。SPI接口模塊的初始化程序如下：
3.2 模擬多路開關選通部分
由於多路模擬開關映射到DSP的I／O空間中的0X8000-0XFFFF之間，所以在DSP程序中，對0X8000-0XFFFF之間進行一個讀操作，由DSP的GPIO選擇的通道就被選通，信號由CD4067輸出到A／D轉換器MAXl94。
讀地址產生的低電平信號CS的保持時間由訪問I／O空間的等待時間決定的，通過設置等待狀態寄存器來保證獲得有效的延時時間。
3.3 MAX194轉換控制部分
由於A／D映射DSP的I／O空間的0x0000～0x7fff之間，類似於模擬多路開關，也需要對該空間進行一個讀操作。
4 結語
多路數據採集系統在嵌入式測控系統中具有很強的實用價值。本文設計了一個基於TMS320LF2407A與EPM570T100C5N的MAX194的多通道採集系統，詳細描述了MAX194，CPLD與DSP之間的硬體與軟體設計，該系統在筆者參與的嵌入式測量控制系統中得到了成功的應用。
責任編輯：gt
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