一種基于ARM的多路同步的A/D和D/A設(shè)計

介紹一種基于ARM的高精度多路同步的數(shù)據(jù)采集與輸出控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。設(shè)計選用德州儀器公司生產(chǎn)的AD芯片ADS8556和DA芯片 DAC8574，分別采用SPI接口和IIC接口與ARM9芯片S3C2440連接，闡明其硬件設(shè)計與軟件設(shè)計方法。系統(tǒng)可實現(xiàn)多路且同步、高速高精度的數(shù)據(jù)采集與輸出控制功能。

ARM處理器是一種32位精簡指令集RISC微處理器，片內(nèi)集成了豐富的硬件資源，廣泛的應(yīng)用于許多嵌入式系統(tǒng)中。S3C2440是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器，運行主頻可達400MHz。本文闡述選用S3C2440處理器設(shè)計的一種同步、高速、高精度、多通道的數(shù)據(jù)采集與信號輸出系統(tǒng)的設(shè)計方法。

1 多路同步A/D設(shè)計

1.1 ADS8556的功能

系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的16位6路同步逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8556。輸入模擬信號電壓范圍為-12V～+12V。常規(guī)應(yīng)用下功耗為 251.7mW，最大功耗為298.5mW，信噪比可達91.5dB。ADS8556芯片內(nèi)部包含6個獨立的采樣保持模塊和對應(yīng)的6個獨立的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可實現(xiàn)對6路信號的同時同步的模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADS8556工作模式分為硬件模式和軟件模式，本設(shè)計采用硬件模式。在硬件模式下ADS8556的功能設(shè)置 (如每對通道的轉(zhuǎn)換使能、參考電壓選擇等)都是通過對相關(guān)引腳設(shè)置高低電平實現(xiàn)的。ADS8556支持并行和串行接口方式，本設(shè)計采用串行SPI接口與 S3C2440連接。采用串行接口的優(yōu)點是節(jié)約S3C2440的引腳資源，S3C2440絕大多數(shù)引腳是功能復(fù)用的，若采用并行接口會占用其16個I/O 引腳資源。

ADS8556具有3個串行數(shù)據(jù)輸出端口SDO_A、SDO_B、SDO_C，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過端口使能可選擇這3個串行端口中的1個、2個或3個工作。當(dāng)3個端口都選用工作時，每個串行端口上輸出對應(yīng)2路每路16位共32位的轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出時間需要32個時鐘周期，每路最大采樣率可達450kS/s。當(dāng)選擇2個串行端口時，每個端口輸出3路共48位轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出時間需要48個時鐘周期，每路最大采樣率可達375kS/s。由于 S3C2440只有2個SPI串行接口，所以至多選擇ADS8556的2個串行輸出端口與其連接。

1.2 ADS8556與S3C2440接口電路設(shè)計

本設(shè)計選用ADS8556的1個SPI 串行輸出端口SDO_A與S3C2440的1個SPI接口SPI0連接，SDO_A端口輸出全部6路共96位轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出時間需要96個時鐘周期，每路最大采樣率可達250kS/s。SPI串口以主從方式工作，S3C2440作為主機，ADS8556作為從機，需要4根或3根線連接，3根用于單向傳輸，4根連接線分別是MOSI(主機輸出/從機輸入)，MISO(主機輸入/從機輸出)，SCLK(時鐘信號)，CS(片選使能)，連接方式如圖1所示。其中SPI0接口只用了3根連接線SPIMISO0、SPICLK0和NSS0，未使用SPIMOSI0，這是由于本設(shè)計選擇ADS8556工作于硬件模式，S3C2440沒有給ADS8556輸入數(shù)據(jù)，其功能的設(shè)置(如每對通道的轉(zhuǎn)換使能、參考電壓選擇等)都是通過對相關(guān)使能引腳設(shè)置高低電平實現(xiàn)的。若在軟件模式下，這些功能的選擇是由S3C2440通過SPIMOSI對ADS8556內(nèi)部相應(yīng)寄存器進行賦值實現(xiàn)的，此時其相關(guān)使能引腳均接地。

圖1 ADS8556與S3C2440接口連接示意圖

1.3 ADS8556的接口程序設(shè)計

S3C2440作為主機，ADS8556作為從機，程序中要對S3C2440的SPI串行端口進行初始化設(shè)置，表1所示為相關(guān)引腳配置。

表1 ADS8556與S3C2440的接口引腳配置

圖2所示為ADS8556的采樣程序流程圖。S3C2440的SPI接口工作于主模式，數(shù)據(jù)傳輸采用中斷模式。本設(shè)計只使用了ADS8556的6路轉(zhuǎn)換通道中的4個通道。

圖2 ADS8556工作程序流程圖

2 多路同步D/A設(shè)計

2.1 DAC8574的功能

DAC8574是帶有IIC接口的16位4路同步數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。DAC8574帶有一個IIC串行接口，包括SCL串行時鐘輸入和SDA串行數(shù)據(jù)輸入兩個引腳。輸出四路模擬電壓為VOUTA、VOUTB、VOUTC、VOUTD，電壓范圍為+2.7～+5.5V。由外部提供參考電壓VREFH、 VREFL。A0、A1為IIC地址選擇，A2、A3為擴展地址選擇，A1、A0、A3、A2共可確定16個地址，在IIC總線上最多可擴展16個 DAC8574。本設(shè)計在IIC總線上只使用一個DAC8574，則設(shè)置地址A1A0A3A2=0000。LDAC為同步輸出電壓更新。

DAC8574有三種工作模式:標(biāo)準(zhǔn)模式、快速模式、高速模式。標(biāo)準(zhǔn)模式時傳輸速率為100kbit/s，串行時鐘頻率fscl=100kHz，更新率為5.3kS/s;快速模式時傳輸速率為400kbit/s，fscl=400kHz，更新率為22.22kS/s;高速模式時傳輸速率為3.4Mbit /s，fscl=3.4MHz，更新率為188.88kS/s。標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式傳輸線協(xié)議基本相同，高速模式不同于標(biāo)準(zhǔn)和快速模式。DAC8574與 S3C2440通過IIC總線連接時，DAC8574作為從機，S3C2440作為主機。本設(shè)計將DAC8574設(shè)置為高速模式。

2.2 DAC8574與S3C2440接口電路設(shè)計

DAC8574通過IIC接口SDA、SCL引腳與S3C2440連接，其工作模式選擇、通道使能、LDAC功能是由S3C2440通過SDA輸入設(shè)定的。如圖3所示，電源電壓+5V，參考電壓+5V，IOVDD為+3.3V、LDAC接地。

圖3 DAC8574接口電路

2.3 DAC8574的接口程序設(shè)計

DAC8574作為從機，S3C2440作為主機，根據(jù)高速模式傳輸協(xié)議編寫DAC8574的接口程序。圖4所示為設(shè)計的DAC8574接口程序的流程圖。主機先產(chǎn)生一個開始狀態(tài)，隨后產(chǎn)生高速主機編碼的串行數(shù)據(jù)00001XXX。從機設(shè)備不需要確認(rèn)高速主機編碼，但必須能夠識別并改變自身內(nèi)部設(shè)置以支持3.4Mbit/s的高速傳輸。主機產(chǎn)生一個重復(fù)開始狀態(tài)，接著發(fā)送一個有效的從機地址字節(jié)，本設(shè)計的從機地址字節(jié)為10011000，包括7位 DAC8574的地址1001100和1位讀寫控制位0(主機寫入從機)。地址匹配的從機識別地址后產(chǎn)生確認(rèn)信號。本設(shè)計將控制字節(jié)設(shè)置為 00010000，主機發(fā)送控制字節(jié)設(shè)置從機運行模式后，從機產(chǎn)生確認(rèn)信號。隨后，主機發(fā)送數(shù)據(jù)最高有效位MSB，從機產(chǎn)生確認(rèn)信號，主機再發(fā)送數(shù)據(jù)最低有效位LSB，從機產(chǎn)生確認(rèn)信號并開始數(shù)據(jù)更新，這樣DAC8574就完成了一次數(shù)據(jù)接收與數(shù)模轉(zhuǎn)換。之后主機可以繼續(xù)向從機發(fā)送數(shù)據(jù)，最后主機產(chǎn)生停止?fàn)顟B(tài)結(jié)束當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸。