摘 要： 根據(jù)title="MAXIM">MAXIM公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX1270及TI公司TMS320C5402 DSP的多通道緩沖串口(McBSP)的工作原理,，設(shè)計了高速傳輸通道,，采用McBSP的SPI(Series Protocol Interface)工作模式，將McBSP與MAX1270直接相連,，不需要占用并行數(shù)據(jù)總線,，避免了總線沖突。給出了MAX1270與TMS320C5402的McBSP的接口電路及軟件編程實現(xiàn),。
關(guān)鍵詞： TMS320C5402；MAX1270,；多通道緩沖串口,；SPI
TMS320C5402是一種具有高處理能力和低功耗特性的16位定點DSP芯片，處理能力高達100MIPS,，其多功能串口McBSP(Multi-channel Buffered Serial Port)不僅可以完成標準串口的全雙工串行通信,，還具有支持SPI設(shè)備、多達128個通道的數(shù)據(jù)收發(fā)能力等特性,。核心電壓為1.8V,，I/O電壓為3.3V，尤其適合于便攜式設(shè)備,。MAX1270是8通道,、多量程雙極性輸入、串行輸出,、逐次逼近型12位AD轉(zhuǎn)換器,。支持SPI/QSPI和MICROWIRE等多種接口方式,，可方便地與各種微控制器直接級聯(lián)。
1 MAX1270原理
1.1 MAX1270引腳功能
MAX1270引腳分布如圖1所示,。
各引腳功能如下：1-VDD：+5V電源輸入,；2，4-DGND：數(shù)字地,；5-SCLK：串行時鐘輸入,，為串口數(shù)據(jù)的輸入輸出提供移位時鐘；6-
：片選輸入端,，低電平有效,，當為高時，DOUT呈高阻狀態(tài),；7-DIN：串行數(shù)據(jù)輸入引腳,，從該引腳寫入控制字；8-SSTRB：轉(zhuǎn)換完成指示引腳,，在不同的時鐘模式下,，該引腳的高低電平變化反映轉(zhuǎn)換是否完成；10-DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出引腳,，用來輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果,；
方法：掉電模式控制輸入端，低電平有效,，正常工作模式下置高,；12-AGND：模擬地；13～20-CH0～CH7：模擬信號輸入端,；21－REFADJ,，參考電壓輸出/外部調(diào)節(jié)輸入；23－REF,，參考電壓緩沖輸出/ADC的參考輸入,。
1.2 MAX1270的控制字
MAX1270的控制字如表1所示。
其中PD0,、PD1為時鐘模式選擇位,，其取值與相對應(yīng)的功能如表2所示。
在外部時鐘模式下,，串行數(shù)據(jù)的輸入,、輸出和數(shù)據(jù)的采樣保持、轉(zhuǎn)換全部由SCLK輸入的外部時鐘所控制,。在內(nèi)部時鐘模式下,，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時鐘由芯片內(nèi)部產(chǎn)生，從而減輕了外部微控制器的負荷，提高了工作效率,。本文所設(shè)計的系統(tǒng)就是工作在內(nèi)部時鐘模式下,，由DSP提供2MHz的時鐘。由于DSP的收發(fā)寄存器為16位,，故采用16個時鐘周期轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù)的工作時序,，使得每次轉(zhuǎn)換只需分別讀寫一次寄存器，大大簡化了軟件的設(shè)計,。在此模式下,，轉(zhuǎn)換速率可達到43ks/s。
RNG,、BIP兩位決定了模擬電壓的輸入極性和范圍,，其取值與相對應(yīng)的功能如表3所示。
MAX1270具有軟件可編程極性選擇功能,，只需要寫相應(yīng)控制字就可輕松實現(xiàn),，這一特點降低了輸入電路設(shè)計的復(fù)雜性。對于單極性輸入,，轉(zhuǎn)換結(jié)果為12位二進制碼,；對于雙極性輸入，轉(zhuǎn)換結(jié)果為12位二進制補碼,。只要把存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果的變量定義為有符號整數(shù)類型（signed int）就可正確讀取結(jié)果,。
SEL2、SEL1,、SEL0為模擬通道選擇位,，其取值與相對應(yīng)功能如表4所示。
START位為控制字的開始位,，在CS低電平期間標志著8位控制字的開始,，其后的控制字在SCLK作用下先高位后低位的順序由DIN輸入[2]。
2 McBSP原理
McBSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,，包括數(shù)據(jù)通路和控制通路兩部分,，并通過7個引腳與外部器件相連。
各引腳功能：DX為發(fā)送引腳,，與McBSP相連接；DR為接收引腳,，與接收數(shù)據(jù)總線相連接,；CLKX為發(fā)送時鐘引腳；CLKR為接收時鐘引腳,；FSX為發(fā)送幀同步引腳,；FSR為接收幀同步引腳。
在時鐘信號和幀同步信號的控制下，接收和發(fā)送過程通過DR和DX引腳與外部器件直接通信,；DSP內(nèi)部對McBSP的操作是利用16位控制寄存器,，通過片內(nèi)外設(shè)總線進行存取控制。數(shù)據(jù)發(fā)送過程：將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器DXR,；然后,，發(fā)送移位寄存器XSR將數(shù)據(jù)經(jīng)DX引腳移出發(fā)送。數(shù)據(jù)接收過程：通過DR引腳將接收的數(shù)據(jù)移入接收移位數(shù)據(jù)寄存器RSR中,；然后,，將這些數(shù)據(jù)分別復(fù)制到接收緩沖寄存器RBR和DRR中；最后,，由CPU或DMA控制器讀出,。這個過程允許內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)通信同時進行[3]。
3 TMS320C5402與MAX1270的接口設(shè)計
3.1 接口時序
TMS320C5402的McBSp與MAX1270都支持SPI（Series Protocol Interface）總線協(xié)議,。SPI總線是Motorola公司推出的三線同步接口,，同步串行三線方式進行通信：一條時鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI,，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO,；用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通信,。SPI主要特點有：可以同時發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù),；可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘；發(fā)送結(jié)束中斷標志,。傳輸?shù)钠鹗加芍鳈C的時鐘信號控制,，一旦檢測到主機有時鐘信號發(fā)出，主機和從機的通信就開始,，分別在時鐘的不同跳變沿發(fā)送和接收數(shù)據(jù),，當主機時鐘信號結(jié)束時，通信就停止,，在通信過程中從機的片選信號要保持有效,。
本文采用MAX1270內(nèi)部時鐘模式下16時鐘周期的工作時序，由5402作為主機提供串行時鐘,，MAX1270作為從機輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果,，其時序如圖3。
當片選信號CS置低時,，主機的串行時鐘開始發(fā)出時鐘信號,，在時鐘的每個下降沿主機向DIN上寫數(shù)據(jù)，在時鐘的每個上升沿數(shù)據(jù)打入從機,。在DIN上第7位控制字建立的上升沿開始采樣模擬電壓信號,，并保持2個外部時鐘周期和4個內(nèi)部時鐘周期，隨后在第8個控制字之后的下降沿轉(zhuǎn)換開始。轉(zhuǎn)換的過程中,，SSTRB置低直到轉(zhuǎn)換完成,，查詢此引腳的狀態(tài)可判斷轉(zhuǎn)換是否完成，同時為了去除噪聲干擾,，
在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)保持高電平直到轉(zhuǎn)換完成,。轉(zhuǎn)換完成后，12位轉(zhuǎn)換結(jié)果由高到低由從機輸出到DOUT上,，并在每個時鐘的上升沿打入主機,，從而得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。
由圖3的時序圖可以看出,，每次轉(zhuǎn)換都必須寫入控制字,，相鄰兩次轉(zhuǎn)換的控制字之間間隔16個時鐘周期，兩次轉(zhuǎn)換結(jié)果同樣間隔16個時鐘周期,，而且如果在第一次讀取結(jié)果的D3位同時在DIN上寫入下一次的控制字,，在下個周期到來時就可以直接讀取結(jié)果而不用在等待一個空周期。這樣可以充分利用SPI總線的特點,，在一個周期內(nèi)主機寫DIN讀DOUT,，而從機寫DOUT讀DIN。由于McBSP的DXR(發(fā)送寄存器)和DDR(接收寄存器)都是16位的,，故選擇了16個時鐘周期的工作時序與之相匹配,。
3.2 接口電路
根據(jù)McBSP的引腳特性和上述時序分析，設(shè)計了如圖4的接口電路,。
5402作為主機通過Mcbsp0的時鐘輸出引腳BCLKX0給MAX1270提供串行時鐘,，通過幀輸出引腳BFSX0選通MAX1270，通過BDX0引腳寫入控制字,。同時,，通過BDR0引腳接收轉(zhuǎn)換結(jié)果，并把BCLKR1設(shè)置成通用I/O與MAX1270的SSTRB引腳相連,，通過查詢此引腳的狀態(tài)來判斷轉(zhuǎn)換是否完成,。
由于5402的I/O管腳電壓為3.3V，而MAX1270的I/O管腳電壓則為5V,，因此在MAX1270向5402傳輸?shù)姆较蛏霞恿艘黄娖睫D(zhuǎn)換芯片74LVC4245A,，把5V的TTL電平轉(zhuǎn)換成3.3V的TTL電平，以避免5402無法承受高于3.3V的電壓而燒毀芯片,。
3.3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計分為初始化和數(shù)據(jù)傳輸兩大部分,。
初始化部分包括5402的初始化和McBSP的初始化，其中5402的初始化是對系統(tǒng)上電復(fù)位后對DSP的整個工作壞境的基本設(shè)置,，包括對系統(tǒng)時鐘、處理器工作方式、存儲器分配,、中斷,、外設(shè)等待狀態(tài)等的設(shè)置。而對McBSP的初始化則是軟件設(shè)計的核心,，其步驟如下：
(1)禁止McBSP0發(fā)送器發(fā)送,，接收器接收。
(2)設(shè)置5402為SPI主機模式,，串行時鐘采用5402主時鐘的50分頻,，在時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)，在時鐘的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù),，接收數(shù)據(jù)為右對齊高位補零格式,。
(3)設(shè)置每個幀信號由DXR(數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器)向XSR(發(fā)送移位寄存器)復(fù)制數(shù)據(jù)時產(chǎn)生，接收和發(fā)送都為單項幀,，每幀一個數(shù),，每個數(shù)16位。
(4)使能McBSP0接收器,，發(fā)送器,。
(5)等待兩個時鐘周期，保證內(nèi)部信號同步,，接收器和發(fā)送器激活[1],。
數(shù)據(jù)傳輸部分完成控制字的寫入和轉(zhuǎn)換結(jié)果的保存，其步驟如下：
(1)向DXR中寫入控制字,，查詢發(fā)送控制字狀態(tài),，確認發(fā)送完成。
(2)查詢SSTRB狀態(tài),，確認轉(zhuǎn)換完成,。
(3)查詢接收控制字狀態(tài)，確認接收完成,，從DRR中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果,。
(4)循環(huán)執(zhí)行上述步驟。
軟件基本流程如圖5所示,。
3.4 實驗結(jié)果
圖6為采集由信號發(fā)生器產(chǎn)生的1kHz的正弦波的結(jié)果,。其中橫坐標為連續(xù)時間段內(nèi)采集數(shù)據(jù)的序號，縱坐標為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量結(jié)果,。由圖可以看出,，采集的數(shù)字量很好地復(fù)現(xiàn)了模擬電壓波形。而實際上,，圖中一個周期的正弦波之間是43個點,，說明了對于1kHZ的正弦波,，每周期采樣43次，由此可知采樣率達到了43kHz,。這與MAX1270內(nèi)部時鐘工作模式的最大采樣率完全一致,，而且可以實現(xiàn)雙極性采樣，證明了本設(shè)計在實踐中是可行的,。
本文詳細介紹了MAX1270與TI公司的16位高性能定點DSP TMS320C5402之間的SPI接口設(shè)計和編程實現(xiàn),。實現(xiàn)了MAX1270真正的SPI接口，并達到了最大內(nèi)部轉(zhuǎn)換速率43kHz,?；赟PI接口的特點使得電路設(shè)計十分簡潔，軟件編程采用C語言完成,，通俗易懂且可移植性強,，已經(jīng)應(yīng)用在光柵信號的采集、細分與辯向系統(tǒng)中,，有一定的實用性,。
參考文獻
[1] 張勇．C/C++語言硬件程序設(shè)計[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2003.
[2] MAXIM Corp,，MAX1270/MAX1271 Data Sheet[Z],，2004.
[3] 汪安民，陳明欣,，朱明．TMS320C54xx實用技術(shù)[M]．北京：清華大學出版社,，2007.