基于AD73360和TMS320F2812的数据采集系统设计

        摘  要： 多输入通道之间的相位误差是数据采集系统的重要问题之一。采用六输入通道模数转换器件AD73360和数字信号处理器TMS320F2812设计了多通道数据采集系统，实现了两者之间的接口电路和通信程序设计。该系统可用于多路输入信号的同步采样，实验证明了系统的有效性。
　　关键词： 数据采集； AD73360； TMS320F2812

 　　多通道数据采集系统一般是在一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D和D/A转换器等器件，其原理框图如图1所示^[1]。这类系统虽然可以采集多路模拟信号，但其实只有一路A/D转换器，为了能够采集多路模拟信号，只能利用模拟多路开关在多路模拟信号之间进行切换。这样做的好处是可以减少硬件成本和缩小板卡的尺寸，但是当多个模拟信号巡回采样时，各路信号之间必然存在采样的时差。

　　本文利用AD73360、TMS320F2812设计了数据采集系统，包含6个以上可同时采样的模拟通道，从而有效地减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。

1 数据采集系统设计

    本文设计的数据采集卡如图2所示。A/D转换器AD73360是一个包含6路模拟信号输入通道的器件，每路通道均包含独自的信号调理器、可编程放大器和16位的A/D转换部分。这样可实现对多路模拟信号的同时采样，以减小采样的相位差。数字信号处理器(DSP)采用TMS320F2812，实现对A/D转换器AD73360的控制和读取采样数据，从而减少了逻辑控制电路。计算机接口电路采用RS232C和RS485标准串行口实现DSP与上位机之间的通信。

1.1 A/D转换器AD73360

    AD73360具有6路16位分辨率的同时采样通道，减少了由于采样时间不同而产生的相位误差。各个通道的采样速率可设为8kHz、16kHz、32kHz或64kHz，都有内置的抗混迭滤波器和程控可变增益放大器。可以级联使用，最多可将8片级联在一起。因此，模拟量输入通道的最大数目可扩展到48路。

　　AD73360使用同步串行接口SPORT与CPU相连。SPORT接口信号线只有6条，不仅节约了印刷电路板的面积，而且也减小了电磁干扰。DSP基本都支持同步串行接口，所以AD73360与DSP组成的测控系统简洁高效。

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条信号线，分别是串行数据输出端SDO、数据输出帧同步端SDOFS、串行数据输入端SDI、数据输入帧同步端SDIFS、同步时钟SCLK和串行接口使能端SE。该接口有三种工作方式：编程、数据以及混合方式。AD73360以"时分多址"的模式输入和输出数据。其特点是每一个通道的输出数据占用固定的时间片，即使该通道被关闭，该时间片也不会被其他通道占用，此时数据输出端SDO处于三态。图3显示了六个通道全部打开时数据输出端SDO和数据输出帧同步端SDOFS的时间波形，图4则显示了通道1、3、5打开时的输出时间波形。AD73360每次上电或复位以后，自动进入编程状态，每一个采样周期输出一个数据输出帧同步信号SDOFS，如图5所示。这样DSP可利用此帧同步脉冲给AD73360写入控制字。图6为各管脚的信号时序图^[2]。

1.1.2 AD73360控制寄存器

　　AD73360有8个控制寄存器，每个都是8位，如表1所示。其中前两个控制寄存器CRA和CRB用来配置同步串行接口SPORT，可以设置数据率、主时钟速率以及级联芯片数目等参数。如果多个AD73360级联，则其CRA和CRB的设置必须完全一致。其余6个寄存器用来控制各个通道的A/D转换器。

　　向这些控制寄存器写入数据时，要遵循一定的格式。控制字的格式如表2所示。其中各个部分的含义如下：
　　(1) :该位为高时，表明这是一个有效控制字。
　　(2) :读写控制。
　　(3) 芯片地址：芯片级联时用于确定接收数据的芯片。当该地址为零时，表明当前芯片接收该控制字；若不为零，则芯片将该数减一，并将控制字从SPORT发送给下一个芯片。
　　(4) 寄存器地址：选择要写入数据的控制寄存器，见表1。
　　(5) 寄存器数据：写入或读出的数据。

　　由于单片AD73360具有六个同时采样的模拟量输入通道，所以特别适合于三相制电力运行参数测控（三个相电压和三个相电流同时采样）以及电机控制等应用系统。

1.2 数字信号处理器TMS320F2812的多通道缓冲串口McBSP

　　TMS320F2812是32位的定点DSP，主频可达150MHz(时钟周期6.67ns)，是目前用于测控系统、电机控制等领域中的热点产品。芯片资源非常丰富，可简化外围电路设计。串行通信模块包括两个SCI口和一个SPI口，CAN总线和多通道缓冲串口McBSP，能满足多种串行通信模式的需要。本文利用TMS320F2812的多通道缓冲串口McBSP实现与AD73360的连接和数据传输。
　　TMS320F2812的McBSP有6条信号线。其中3条用于发送数据，分别是发送数据端MDXA、发送帧同步端MFSXA和发送时钟MCLKXA。另外3条用于接收数据，分别是接收数据端MDRA、接收帧同步端MFSRA和接收时钟MCLKRA^[3]。
　　McBSP能与多种串行接口器件直接通信，工作方式灵活，但同时也造成端口配置复杂。McBSP具有38个寄存器，由此可见其复杂程度。这些寄存器可分成四大类：数据寄存器、控制寄存器、多通道寄存器和FIFO寄存器。要使McBSP正确工作，必须配置好这些寄存器，这就需要对McBSP的工作机制有深刻的理解。表3列出了部分寄存器，大部分属于数据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虽然分别属于多通道和FIFO寄存器，但是在非FIFO和非多通道方式下依然要用到。