基于TSl01型DSP链路口的多通道高精度数据采集电路设计
外部连接资源相对少的一类DSP,在多个TSl01级连的系统中,如果利用总线进行数据采集,A/D转换器通常需要长时间占用总线,会经常出现争占总线的问题,从而导致信号采集处理出现总线瓶颈,利用链路口进行数据采集可以很大程度地释放总线资源。本应用中需要对10路模拟信号同时进行500 kHz的采样,传输的数据率为lOx0.5 MBx2=10 MB/s《250 MB/s。
TSl01通过FPGA进行数据采集,它的链路口作为数据输入口。它们的连接结构如图2所示,将链路口的LxCLKIN直接和FPGA连接,由FPGA驱动,在FPGA向链路口传送数据时作为链路口的时钟输入。LxDIR和LxCLKOUT可以悬空,链路口的8条数据线接到FPGA上。
设计中将每个A/D转换器的M1、NO、A0引脚接地,仅取用每个A/D转换器的2个模拟差分输入——AO和B0通道,2个通道可以在2μs之内同时完成1次采样。本
设计共用5个ADS8361级连以扩充模拟输入通道,实现10个模拟通道输入,每个ADS8361的RD与CONVST连接,由FPGA进行控制,5个ADS8361同时进行A/D转换,转换后在FPGA内同时完成串并转换,把转换后的并行数据先锁存在FPGA内部,再将各通道按先低字节后高字节依次传送到TSl01的链路口。
5 数据采集的软件设计
软件部分包括TSl01软件设计和FPGA软件设计,FPGA软件设计采用VHDL实现。其结构如图3所示。
FPGA的主要操作是将5个ADS8361的10路串行采集数据转换成20个8 bit数据,再将数据锁存,同时产生链路时钟,将锁存后的数据发送到TSl01链路口。需要实现的时序如图4所示,其中CLOCK是TSlOl外部时钟,ADCLK是ADS8361的工作时钟,是CLDCK的5分频,占空比为60%,CONVST与RD相连接,LINKCLK是链路时钟,LINKDATA是链路数据。
使用链路传输时,TSl01在链路时钟的上升沿和下降沿都锁存数据,20个8 bit数据需要lO个链路脉冲,而链路口每次至少需要传输128 bit的数据,即至少需要8个脉冲,且发送数据需要的脉冲数必须为8的倍数。所以设计中每次通过链路发送数据的脉冲数为16个,前10个传输A/D转换器采集到的数据,其后的6个脉冲发送0x55。发送到链路的数据是A/D转换器上次转换的结果。TSl01可以设置链路口工作时钟为内核时钟的2、3、4、8分频,设计中TSl01外部时钟CLOCK是50MHz,内核时钟是CLOCK的5倍频即250 MHz,链路口接收数据时FPGA给TSIOI的链路时钟LINKCLK是25 MHz TSl01链路口工作时钟应尽量接近链路时钟LINKCLK,所以设置TSl01链路口工作时钟为内核时钟的8分频即31.25 MHz。
系统采用链路中断方式接收FPGA送来的数据,链路中断方式数据接收的程序如下:
6 A/D转换器电路的设计和使用
设计高精度A/D转换器的关键是保证有效位数,ADS8361的输入动态范围为:±2.5 V,每个量化单位对应0.076 mV,因此应设法降低噪声和干扰。噪声和干扰的来源主要有二种:一种是A/D转换器自身的噪声如量化噪声等,另一种是周围电路产生的噪声干扰。前者是A/D转换器固有的,后者的大小远远超过前者,特别是电源、模拟/电路数字电路之间的干扰。ADS8361的差分输入方式大大降低了共模干扰。设计中主要考虑如何在电路中减少其他噪声和干扰。
电源设计是抑制噪声的关键,本文介绍的设计具有多种电压(模拟5 V、-5 V和数字3.3 V、1.2V等)并且是混合模拟和数字信号的板级设计,选择合适的电源电路,合理地进行电源层和地层的切割是很重要的。开关电源具有体积小、效率高、输出稳定等优点,同时能够很好地解决TSlOl的上电次序问题,但纹波明显。开关频率越高输出电压纹波越小,电路中选用的电感器在10μH~200 μH为宜,电路中可以使用ESR小、容值大的电容器构成去耦电路,同时在板上放置多种电容器进行滤波。
减少数字信号干扰也可以有效提高A/D转换器的精度,布板和布线时要使ADS8361模拟差分信号输入区域尽量远离数字信号,FPGA设计中尽量避免多个信号电平同时翻转,同时给A/D转换器提供良好的工作时钟,应使用串联终端法,串联1只小电阻器可以很好减少时基抖动,时钟信号进入A/D转换器的布线越短越好,同时不要离数字信号太近,也不要靠近模拟区,否则会增加模拟区的噪声。同时要注意单点共地,在共地的点上串接1个磁珠。设计中使用了多层板布局,在轻载情况下可以将输出电压纹波减到4mV。
7 结束语
笔者设计一种通过TSl01链路口进行多A/D转换器多通道高精度数据采集的实现方法,在DSP信号采集处理系统中可以不占用总线,实现并行数据传输和处理,有更高的实时性,同时探讨了如何提高A/D转换器精度的问
- 基于AD73360和TMS320F2812的数据采集系统设计(12-06)
- 基于紫外检测法的智能型特高压验电器系统(03-17)
- 单一DSP控制两套三相逆变器的实现(08-31)
- 基于DSP生成SVPWM在逆变电源中的应用(11-09)
- DSP的大功率开关电源的设计方案(12-01)
- DSP处理器电源方案设计(02-08)