EDA/PLD:基于DSP和CPLD技术的多路ADC系统的设计与实现

引言
　　随着现代电子技术的应用和发展，数字信号处理的内容日益复杂，而adc是实现从模拟到数字转换的一个必然过程。针对这种情况，利用数字信号处理器和可编程逻辑器件提出了多路adc系统的设计方法，实现了对动态多路模拟输入信号的采样传输以及处理，简化了电路设计，可编程逻辑器件使得系统的通用性和可移植性得到良好的扩展。系统框图如图1所示。

系统硬件设计

　　本设计所采用的adc器件是maxim公司的生产的低功耗16位模数转换器(adc)max1162。max1162采用逐次逼近型　adc结构，具有自动关断、1.1μs快速唤醒和兼容于spi/qspi/microwire的高速接口，采用+5v单模拟电源，并且具有独立的数字电源引脚，允许芯片直接和+2.7～+5.25v的数字逻辑接口。ref引脚接外部参考电压，用于设定模拟输入电压范围，与模拟地之间连接一个4.7μf的电解电容；avdd引脚是+5v电源供应输入端，与模拟地之间接一个0.1μf的电容；agnd是模拟地；cs是片选输入，低有效。当为高时，系统处于断电模式，由高变低时，激活系统到正常运行模式，同时初始化一次转换。本系统选择作为ad的使能信号；sclk是串行时钟输入，驱动模数转换进程；dout是串行数据输出，数据状态在sclk的下降沿改变；dgnd是数字地；dvdd是数字电压供应，与数字地之间接一个0.1μf的电容；ain是模拟信号输入端。

　　该adc系统的中央控制单元采用ti(德州仪器)公司的浮点数字信号处理器tms320vc33-150，tms320vc33的地址总线为24位，程序寻址范围可达16m，数据总线为32位，内部具有34k×32bit的sram，可根据需要映射在程序或数据空间，拥有一路串行口，可以构成传输8、16、24、32位的数据，其传输模式可以设置为突发模式或者是连续模式。两个32位的通用定时器，能够用来按照规定的时间间隔与芯片内部通信或者是和外部通信。

使用x9241实现高分辨率的软件代码

　　为了方便理解实现控制的细节，我们提供了c语言源代码（代码由xicor公司提供，我们做了一定的修改）。用户只需要自己再编写适用于不同单片机的i2c硬件接口函数（函数名称同程序中介绍一致），在应用程序中加入我们提供的源代码，简单的调用程序中介绍的5个函数，就可以方便地实现dcp的高分辨率控制。

　　关于x9241实现高分辨率的软件源代码，工程师可到http://www.icbase. com/download/x9241.c去下载。
本系统考虑到主要应用在adc中，所以就直接采用tms320vc33的数据总线和地址总线，没有再附加额外的电路，使得adc的采样速度和转换精度得到良好的保证。同时还利用了int2和xf0引脚，作为dsp接收数据的中断信号和adc的使能信号。int2是外部中断引脚，由外部的数据输入触发中断；xf0即外部标志输出引脚，受软件控制，可以用来向外部器件发送信号，该引脚的状态由i/o标志寄存器决定，iof=0x22，即置xf0为通用目的输出引脚，同时该引脚输出0；若iof=0x26，则置xf0为通用目的输出引脚，同时该引脚输出为1。本系统利用软件指令对xf0进行置高置低，控制adc的启动转换和停止。

　　emp7512ae基于eeprom技术，采用多电压i/o接口技术，系统内核供应电压为3.3v，而i/0引脚与2.5v、3.3v、5.0v逻辑电平相互兼容。epm7512ae有10 000个可用门、512个宏单元、32个逻辑阵列块和212个用户可用i/0引脚。cpld在系统中的主要功能是：给adc转换提供时钟信号，控制adc转换的使能和复位，由于采用的adc芯片是串行输出的，cpld还实现对串行数据的输入转为并行数据的输出，然后直接和tms320vc33的数据总线相连接。同时cpld产生脉冲信号，在adc转换完成后，数据暂存在cpld中，该脉冲向cpu申请中断，提示有数据需要接收。另外，cpld的一个关键作用就是，实现路数的动态选择，目前设计的该系统最多路数为8路。cpld和dsp及ad芯片的具体硬件连接图如图2所示。

begin
adcs <= synthesized_wire_12;
ada <= synthesized_wire_2;
gdfx_temp_signal_1 <= (l & l & h & h & h & l);
gdfx_temp_signal_0 <= (h & l & h & h & l);
u1 : lpm_bustri_0----三态总线缓冲器，允许采样的数据输出到dsp的数据总线上
port map(enabledt => drd,
data => ado,
tridata => d);
u2 : lpm_counter_1----计数器，把数据总线宽度改为3位
port map(sload => synthesized_wire_0,
clock => synthesized_wire_1,
aload => xfa0,
data => cmd(2 downto 0),
q => synthesized_wire_2);
u3 : lpm_dff_1---d触发器，数据总线宽度为8位，接收来自于dsp的数据
port map(clock => cmdck,
data => d(7 downto 0),
q => cmd);
u4 : lpm_compare_1---比较器，比较cmd(5..3)和cmd(2..0)的值，即轮询采样通道
port map(dataa => cmd(5 downto 3),
datab => synthesized_wire_2,
aeb => synthesized_wire_0);
synthesized_wire_1 <= not(aq(4));
nrw<= not rw;
cmdck<= not( not page3 and(not rw)and a6 and a5 and a4 and (not a3));
----通道控制地址编码
drd <= not page3 and rw and a6 and a5 and a4 and a3;----采样地址编码
clka <= not(clk);
u5 : lpm_counter_2---产生计数脉冲
port map(sload => synthesized_wire_3,
clock => hfp(5),
data => gdfx_temp_signal_0,
eq => sq,
q => aq);
u5 : lpm_dff_5---缓冲器
port map(clock => synthesized_wire_12,
data => synthesized_wire_5,
q => ado);
synthesized_wire_12 <= sq(12) or 0 or xfa0;
synthesized_wire_3 <= xfa0 or sq(14);
aden <= not(xfa0);
synthesized_wire_10 <= hfp(5) and hfp(4) and hfp(0) and synthesized_wire_6 and synthesized_wire_7 and synthesized_wire_8;
synthesized_wire_7 <= not(hfp(2));
synthesized_wire_6 <= not(hfp(3));
inta2 <= xfa0 or synthesized_wire_9;
u6 : lpm_shiftreg_1----串行数据输入转为并行数据输出
port map(shiftin => adout,
clock => hfp(5),
q => synthesized_wire_5);
u7 : lpm_counter_3---产生时钟信号
port map(sload => synthesized_wire_10,
clock => h1ck,
data => gdfx_temp_signal_1,
q => hfp);
synthesized_wire_8 <= not(hfp(1));
adsck <= not(hfp(5));
synthesized_wire_9 <= not(synthesized_wire_12);
h <= 1;
l <= 0;
end;

　　把该vhdl程序写入到epm7512ae芯片中的，对数据进行采样编程就简单了许多。在.cmd文件的memory段中加入adport ：org=0x00c00070，len=9。然后通过自定义数据段把数组adport[8]映射到段adport中。下面给出用c编写的采样主要程序。
main()
{
……
iof = 0x26;/*置max1162数据输出端为高阻态*/
adport[0] = 0x28；

　　/*采样通道选择：0通道～5通道，总共6路；若设adport[0]=0x38，则通道为：0通道～7通道，总共8路。同理可进行其他设置*/
ie = 4;/*中断使能*/
iof = 0x22;/*启动adc*/
/* adport[0]对应地址为0x00c00070，配置寄存器有6位，0、1、2位对应起始通道，3、4、5位对应结束通道。adport[8]对应地址为0x00c00078，是控制寄存器*/
……
}
在中断服务子程序接收采样的数据，程序如下。
c_int02()
{
ad[adi++] = adport[8];/*把采集的数据十六进制数据存入数组ad中*/
if(adi>0x7ff) /*存入的数据大小为2k×16bit，根据内存大小动态改变*/
adi &= ox7ff;
}

结论

　　经过实际验证，本adc系统在低成本的情况下的采样精度达到了13位，这在16位的adc芯片中达到很好的水平，并被应用到高精度的工业控制中。利用tms320vc33和epm7512ae，灵活方便地实现了对高精度模数转换器max1162的控制和动态多通道采样，简化了系统设计的复杂性，同时使得dsp的编程处理变得非常高效简洁。若应用在要求更加严格的场面，本系统有待做进一步的改进，把adc芯片更换为并行输出，同时把cpld芯片更换为cycloneii fpga，dsp芯片用tms320c6713，同时加入噪声抑制设计，这样整个系统性能将会显著提高。在一定的条件下，和adc模块相类似，本系统可以经过扩充，实现更多路的信号采集。