摘 要： 提出一種基于TMS320C5402和AD7705的信號采集系統(tǒng)設計方案,。系統(tǒng)采用TMS320C5402為主控芯片，以16位低功耗,、高性能的AD7705為模/數(shù)轉換器,，通過SPI接口進行通訊。基于AD7705的結構和原理,，重點介紹了AD7705與TMS320C5402的接口電路和接口程序設計,。實驗結果表明，實現(xiàn)了AD7705的高精度數(shù)據(jù)采集,。
    關鍵詞： TMS320C5402,；AD7705；信號采集,；高精度

 　　在智能儀器儀表的應用中,，需要將傳感器輸出的模擬信號轉換為數(shù)字信號，以實現(xiàn)微機的控制,。數(shù)據(jù)采集是智能測試的重要環(huán)節(jié),，其采集的數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性對智能測試有重要的意義。測試技術的進步要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度更高,、功能更強,、成本低廉、體積更小,。近年來興起的Σ-Δ A/D轉換技術能以較低的成本獲取極高的分辨率,。AD公司的AD7705/06以及AD7707為比較典型的一種16位A/D轉換芯片，它集放大,、濾波及A/D轉換單元于一體^[1],。而TI公司的DSP芯片TMS320C5402具有高速度、低功耗,、功能強,、接口方便等特點，是一款性價比較高的微處理器,。本文所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即以TMS320C5402為微處理器,，AD7705為A/D轉換芯片，兩者通過SPI接口通信構成高精度低頻微小信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
1  模數(shù)轉換器AD7705
　　AD7705是AD公司新推出的16位Σ-Δ A/D轉換器,，能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行A/D轉換。這種器件還具有高分辨率,、寬動態(tài)范圍,、自校準,、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點,，非常適合儀表測量、工業(yè)控制等領域的應用,。它采用三線串行接口,，有2個全差分輸入通道，能達到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設定,，還可選擇輸入模擬緩沖器以及自校準和系統(tǒng)校準方式^[2],。AD7705工作電壓為3 V或5 V。3 V電壓時,，最大功耗為1 mW,，等待模式下電源電流僅為8 μA。
1.1 內(nèi)部結構
    圖1為AD7705內(nèi)部結構框圖[1],。AD7705芯片是帶有自校正功能的Σ-Δ的A/D轉換器,，其內(nèi)部由多路模擬開關、緩沖器,、可編程增益放大器(PGA),、Σ-Δ調制器、數(shù)字濾波器,、基準電壓輸入,、時鐘電路及串行接口組成。其中串行接口包括寄存器組,，它由通信寄存器,、設置寄存器、時鐘寄存器,、數(shù)據(jù)輸出寄存器,、零點校正寄存器和滿程校正寄存器等組成。

    AD7705的PGA可通過指令設定,，對不同幅度的輸入信號實現(xiàn)1,、2、4,、8,、16、32,、64和128倍的放大,，因此，AD7705芯片既可接收從傳感器送來的低電平輸入信號,，又可接收高電平信號,。
1.2 片內(nèi)寄存器
    AD7705片內(nèi)包括8個寄存器，均通過器件串行口訪問,。限于篇幅,，這里主要介紹以下寄存器的作用，寄存器的位功能可以查閱相關手冊,。
    (1)通信寄存器,。它的內(nèi)容決定下一次操作是對哪一個寄存器進行讀操作還是寫操作,，并控制對哪一個輸入通道進行采樣。所有與器件的通信都必須先寫通信寄存器,。上電或復位后,，器件默認狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。通信寄存器各位的說明如表1所示,，它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個寄存器,，而輸入通道選擇位CH1、CH0則決定對哪一個輸入通道進行A/D轉換或訪問校準數(shù)據(jù),。

    (2)設置寄存器：是一個可讀/寫的8位寄存器,，用于設置工作模式、校準方式,、增益等,。
    (3)時鐘寄存器：它也是一個可讀/寫的8位寄存器，用于設置有關AD7705運行頻率參數(shù)和A/D轉換輸出更新速率,。
　　(4)數(shù)據(jù)寄存器：是一個16位只讀寄存器,，存放AD7705最新的轉換結果。值得注意的是,，數(shù)據(jù)手冊上雖然說明它是一個16位的寄存器,，但實際上它是由2個8位的存儲單元組成的，輸出時MSB在前,，如果接收微控制器則需要LSB在前,，例如8051系列，讀取時應該分2次讀,，每次讀出8位分別倒序,，而不是整個16位倒序。
    其他的寄存器分別是測試寄存器,、零標度校準寄存器,、 滿標度校準寄存器等，用于測試和存放校準數(shù)據(jù),，可用來分析噪聲和轉換誤差,。
1.3 校準功能
    為提高A/D轉換質量，AD7705提供自校準和系統(tǒng)校準2種功能選擇,，向設置寄存器的MD1和MD0寫入相應的值來選擇自校準還是系統(tǒng)校準,。每當環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變(如輸入通道切換),、增益或數(shù)字濾波器陷波頻率變動,、信號輸入范圍變化等任一項發(fā)生時，必須進行1次校準,。對于自校準方式,，校準過程在器件內(nèi)部1次完成。AD7705內(nèi)部設置AIN(+)端和AIN(－)端為相同的偏置電壓,，以校準零標度,。滿標度校準是在一個內(nèi)部產(chǎn)生的VREF電壓和選定的增益條件下進行的。系統(tǒng)校準則是對整個系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差,，包括器件內(nèi)部誤差進行校準,。在選定的增益下，先后在外部給AIN(+)端施加零標度電壓和滿標度電壓,，先校準零標度點,，然后校準滿標度點。根據(jù)零標度和滿標度的校準數(shù)據(jù),，片內(nèi)的微控制器計算出轉換器的輸入輸出轉換函數(shù)的偏移和增益斜率,，對誤差進行補償。
1.4  數(shù)字濾波和輸出更新速率
    模擬信號由Σ-Δ調制器變換為占空比被模擬電壓調制(調寬)的數(shù)字脈沖串,，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進制碼并濾去噪聲,，以完成A/D轉換。低通數(shù)字濾波器的振幅頻率特性如下：
　　
式中,，N為調制速率與輸出更新速率之比,。
    需要指出的是，器件產(chǎn)生的噪聲源主要來自半導體噪聲和量化噪聲,，PGA放大量和濾波器第一陷波頻率越低,，則輸出的半導體噪聲和量化噪聲越小，A/D轉換器的實際分辨率越高,。
2 信號采集系統(tǒng)的實現(xiàn)
    AD7705靈活的串行接口使得其能與大多數(shù)微計算機和微處理器很容易地進行接口,，目前，用得最多的是與單片機進行接口,。本系統(tǒng)是以DSP芯片TMS320C5402為微處理器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，主要是借助DSP的強大功能，使采集信號的后續(xù)處理(如轉換,、顯示,、打印)更加方便。
2.1 系統(tǒng)硬件設計
    圖2為系統(tǒng)硬件接口電路,，TMS320C5402作為主設備提供時鐘信號并控制數(shù)據(jù)傳輸過程,。TMS320C5402的McBSP串口工作在時鐘停止模式時與SPI協(xié)議兼容。McBSP可以作為SPI設備的主設備或者從設備,，在這種模式下,，接收時鐘信號BCLKR和接收幀同步信號BFSR將不進行連接，因為它們在內(nèi)部分別與BCLKX和BFSX相連接^[3],。

    AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個接口,，其中片選輸入CS,、串行時鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN,、轉換數(shù)據(jù)輸出口DOUT用于傳輸數(shù)據(jù),，狀態(tài)信號輸出口用于指示什么時候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準備就緒。當為低電平時,，轉換數(shù)據(jù)可用,；當為高電平時，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù),，不能讀取數(shù)據(jù),。本系統(tǒng)中，輸出線與TMS320C5402的管腳相連,，通過查詢可知AD7705的狀態(tài),。器件的A/D轉換過程是按設定的數(shù)據(jù)輸出更新速率連續(xù)進行的。任何操作都需要對相應片內(nèi)寄存器送入新的編程指令,。
2.2 系統(tǒng)軟件設計
    軟件設計主要考慮以下4個方面：
　　(1)TMS320VC5402串口的初始化,。首先將DSP串口0復位，再對串口0的寄存器進行編程,，使DSP串口工作在以下狀態(tài)：以SPI模式運行,，每幀1相，每相1個字,，每字16位,，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘柡鸵莆粫r鐘信號由內(nèi)部產(chǎn)生,。
    (2)AD7705的初始化和配置,。上電或復位后，器件默認狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器,。它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個寄存器,，而輸入通道選擇位CH1、CH0則決定對哪一個輸入通道進行A/D轉換或訪問校準數(shù)據(jù),。
    (3)雖然AD7705的通信寄存器,、時鐘寄存器都是8位的，數(shù)據(jù)寄存器是16位的,，但訪問前面3個寄存器時可以將前后2次寫操作成功連接起來,，使讀寫操作都是16位數(shù)據(jù)傳輸處理，這樣剛好與16位的TMS320C5402匹配,。例如：寫時鐘寄存器時,，TMS320C5402往AD7705寫入的字為2005H。
    綜合以上考慮,，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示,。程序代碼(這里只給出讀寫AD7705的程序代碼)如下：
    STM     #3FFFH,，IFR
　　STM     #2005H，DXR10     ,；寫時鐘寄存器
　　IDLE    1
　　STM     #3FFFH,，IFR
　　STM     #1070H，DXR10     ,；寫設置寄存器
　　IDLE    1
WAIT： STM     #3FFFH,，IFR
　　BC      WAIT,，NBIO        ,；等待BIO為零
　　STM     #3FFFH，IFR
　　STM     #0038H,，DXR10    ,；設置下次讀數(shù)據(jù)寄存器
　　IDLE    1
　　STM     #3FFFH，IFR
　　LDM     DRR10,，A          讀數(shù)據(jù)寄存器,；
                              結果存累加器A中
　　STM     #3FFFH，IFR

3 系統(tǒng)的制作與調試
　　AD7705的印制板電路必須按規(guī)格設計,，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域,。利用接地平面將它們分開，可達到最好的屏蔽性能,，并在一個地方將模擬和數(shù)字接地平面連接在一起,，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路；避免在元器件下面走數(shù)字線,，否則會造成片內(nèi)噪聲成倍增加,；AD7705的電源線應足夠粗，以降低線路阻抗,，減少電源供電的尖峰信號的影響,；時鐘信號不能在模擬輸入信號附近通過，模擬信號和數(shù)字信號之間避免相互交叉,；所有的模擬電源都用1個10 μF電容并聯(lián)1個0.1 μF的陶瓷電容器接地去耦^[4],。
    在調試系統(tǒng)時，采用Sensym公司的BP01測壓計,，壓力傳感器構成半差動電橋,，在它的OUT+和OUT-端輸出1個差分輸出電壓。電橋的轉換系數(shù)為3 mV/V,，電橋激勵電壓為5 V,，因此傳感器的滿度輸出電壓為15 mV。電橋激勵電壓還用來為AD7705產(chǎn)生基準電壓,，因此,，激勵電壓的變化不會造成系統(tǒng)內(nèi)的誤差,。圖2中AD7705產(chǎn)生的基準電壓為1.92 V，AD7705具有128的可編程增益時,，AD7705的滿度輸入為15 mV,。AD7705的第2個通道可以作為一個輔助通道測量另一個變化量，如溫度,。
    本文所介紹的高精度信號采集系統(tǒng)接口電路簡單,、編程方便，系統(tǒng)程序代碼已經(jīng)在CCS3.1開發(fā)環(huán)境上得到驗證,，并且將制作的AD7705板與DSP實驗箱上的MS320C5402的McBSP串口連接,，獲得成功地通信和數(shù)據(jù)采集。本信號采集系統(tǒng)具有一定的推廣應用價值,。

參考文獻
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