基于AD7656和ADSP 21369的多路信號采集系統(tǒng)

1、    基于AD7656和ADSP 21369的多路信號采集系統(tǒng)        崔艷琳1，趙煥軍2 時間:2009年04月24日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>幀同步<"cblue" " t

2、arget='_blank'>數(shù)據(jù)采集<"cblue" " target='_blank'>數(shù)據(jù)接收<"cblue" " target='_blank'>數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換<"cblue" " target='_blank'>采樣周期            摘 要： 利用AD7656和ADI高

3、性能數(shù)字信號處理器ADSP 21369實現(xiàn)了同步6通道的多路信號采集。簡要介紹了AD7656的性能特點,著重研究該系統(tǒng)的硬件接口方案、軟件設(shè)計流程以及系統(tǒng)整體性能估算測試。該系統(tǒng)可以廣泛用于模擬信號采集領(lǐng)域。關(guān)鍵詞： ADC；AD7656；ADSP 21369；信號采集? 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號的技術(shù)已經(jīng)被運用到測繪?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，對于信號采集系統(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)字信號處理器ADSP 21369實現(xiàn)的多路信

4、號采集系統(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個獨立ADC通道，采用iCMOS處理技術(shù)，可以實現(xiàn)6通道16bit逐次逼近(SAR)采樣，每個通道最高可達(dá)250kS/s的吞吐速率。具有低功耗寬輸入帶寬的特點，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

5、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，運用靈活，配置也十分簡便。?本系統(tǒng)就是通過DAI訪問<"cblue" " title="數(shù)據(jù)接收">數(shù)據(jù)接收的SPORT0口， 通過DPI配置產(chǎn)生啟動信號的FLAG信號。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?整個<"cblue" " title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由AD7656實現(xiàn)對模擬信號的采集轉(zhuǎn)換，利用ADSP 21369接收采集到的數(shù)據(jù)，恢復(fù)波形。下面對整個系統(tǒng)設(shè)計及原理進行介紹。?2.1 AD7

6、656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，僅通過配置外部控制管腳的電平便可實現(xiàn)對芯片工作方式的設(shè)置。串行接口通信方式簡單?；陂_發(fā)效率以及系統(tǒng)復(fù)雜度的綜合考慮，本設(shè)計使用硬件配置方式，選用了6通道采集單通道串口傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)進行采集傳輸。?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。同時所有通道的CO

7、NVST信號連接在一起，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?AD7656的串口工作時序如圖1所示， 通過CONVST信號啟動轉(zhuǎn)換過程，BUSY標(biāo)志著AD7656的工作狀態(tài)，BUSY為高時表示處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換完畢后，BUSY信號變低，CS信號置低使數(shù)據(jù)在時鐘節(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需要在同步信號的協(xié)調(diào)下進行數(shù)據(jù)接收。ADSP 21369的<"cblue" " title="幀同步">幀同步信號可以采用輸入或輸

8、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FS啟動后，數(shù)據(jù)將隨著時鐘節(jié)拍被讀取。?值得注意的是，由于AD7656轉(zhuǎn)換過程只需要3s， BUSY信號高電平脈寬很窄，無法滿足DSP所需幀同步信號脈寬的要求，不能直接充當(dāng)DSP的幀同步信號使用。為了準(zhǔn)確獲取<"cblue" " title="數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換">數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢的時刻，利用BUSY信號作為中斷源，每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢時產(chǎn)生一個外部中斷。在中斷中，啟動串口。由DSP發(fā)出的幀同步信號作為AD7656的CS信號，數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換過程中，CS保持高電平，此時無數(shù)據(jù)輸出;轉(zhuǎn)換完成后

9、才使CS有效，以完成數(shù)據(jù)的傳輸。這樣既能及時獲取數(shù)據(jù)，又不會發(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，轉(zhuǎn)換完畢以后產(chǎn)生中斷，進入傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)，配置好的SPORT口發(fā)送同步信號使能CS，同時提供時鐘讀取數(shù)據(jù)。2.3 DSP SRU設(shè)置?ADSP 21369具有信號路由單元(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中的工具進行可視化連接，然后自動生成所需的配置代碼。本系

10、統(tǒng)利用SRU對SPORT口的輸入輸出信號進行配置，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?數(shù)據(jù)采集主要是CONVST信號的發(fā)送和檢測由BUSY信號引起的IRQ中斷信號。軟件延時產(chǎn)生一定頻率的CONVST采樣信號啟動AD7656進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完成后BUSY脈沖

11、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鐘信號。每次數(shù)據(jù)接收完畢，進入SPORT中斷，對下一次數(shù)據(jù)接收地址進行配置，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個輸入通道，選用通道5作為信號源輸入端口(每個通道工作情況一致，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，連接信號源的通道能夠成

12、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)傳輸時序?圖5為一幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崪y時序。其中，Ch1表示SPORT口時鐘信號;Ch2是AD7656的BUSY信號; Ch3是ADSP SPORT口幀同步信號; Ch4是ADSP接收數(shù)據(jù)信號?？梢郧宄吹?，BUSY信號產(chǎn)生后，經(jīng)過一段時延即產(chǎn)生幀同步信號，相應(yīng)使能了AD7656的CS信號，同時提供時鐘信號，數(shù)據(jù)隨著時鐘節(jié)拍成功傳輸。?3.3 系統(tǒng)最大性能估算?根據(jù)AD7656手冊可知，AD7656的SCLK可接受的輸入上限為18MHz，處理器串口時鐘可達(dá)50MHz，所以AD7656的時鐘范圍是限制本系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)。由

13、此推算本系統(tǒng)能達(dá)到的最高采樣率。?本系統(tǒng)采用FLAG信號利用軟件延時作為CONVST信號的輸入，單路串行輸出6通道數(shù)據(jù)，每個通道有16bit數(shù)據(jù)，這就意味著每個<"cblue" " title="采樣周期">采樣周期至少要保證16×6個時鐘周期才能確保6個通道數(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。?但是由于每個采樣周期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換還將消耗一定時間，在采樣率較高的情況下，轉(zhuǎn)換所消耗的時間已經(jīng)不能忽略，所以實際上系統(tǒng)無法達(dá)到此速度。下面將推導(dǎo)實際能達(dá)到的最高速度。?

14、假設(shè)采樣周期為Tconvst，通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間為3s，所以 Tconvst-3代表采樣周期中傳輸數(shù)據(jù)的時間。6通道總數(shù)據(jù)量為96個時鐘周期，所以(Tconvst-3)/96近似為每bit數(shù)據(jù)的時鐘周期。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)8.33s?即最高采樣率為1/Tconvst(max)=120kS/s?同理可知，若采用三口同時輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實際最高采樣率能達(dá)到209kS/s。與實際試驗結(jié)果一致。?利用AD7656和ADSP 21369成功實現(xiàn)了模擬信號的數(shù)據(jù)采集，并且能夠達(dá)到較高的采樣率，具有很大的實用價值。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展性，可以結(jié)合其他設(shè)備應(yīng)用于ADC的眾多領(lǐng)域。?參考文獻?1 Analog Device，Inc.AD7656/AD7657/AD7658 Datasheet Rev A，2006.?2 Analog Device，Inc.EVAL-AD7656:Evaluation Board for 16-Bit，6-Channel Simultaneous Sampling ADC Data Sheet Rev 0，2007.?3 Analog Device，Inc.ADSP-21368 SHARC