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AD和DA转换接口的设计
摘要
在由DSP芯片组成的信号处理系统中,A/D和D/A转换器是非常重要的器件。
输入信号可以是各种各样的形式,可以是语音信号或来自电话线的已调制数字信号,也可以是各种传感器输出的模拟信号。
这些输入信号首先经过放大和滤波,然后进行A/D转换将模拟信号变换成数字信号,再由DSP芯片对数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘加-累加运算。
经过处理后的数字信号由D/A转换器变换成模拟信号,之后再进行平滑滤波,得到连续的模拟波形。
综上可知信号处理过程A/D和D/A转换器的作用。
该文主要介绍常用的A/D、D/A转换器的使用原理,与DSP芯片的接口电路,以及关于A/D、D/A转换器的DSP编程。
关键词:
TMS320VC5402TLC320AD50CCCS5000
目录
1设计概述1
2芯片TLC320AD50C的详细介绍3
2.1TLC320AD50C概述3
2.2TLC320AD50C特点3
2.3TLC320AD50C引脚及功能框图介绍5
3系统硬件设计7
3.1TMS320VC5402系统电路设计7
3.2TLC320AD50C与DSP的引脚连接方式9
4系统软件设计11
4.1AD50的控制时序12
4.2程序流程图14
4.3部分程序代码14
5心得体会17
参考文献18
1设计概述
通常,一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等,其组成框图如图1.1所示。
在许多应用系统中,为了应用DSP卓越的数字信号处理能力,我们必须先将模拟信号进行数字化(A/D转换),再对采样数据进行相应的算法处理,最后经过数字信号模拟化(D/A转换)后输出。
在这些DSP应用系统中的关键问题是怎样十分容易和高效地实现这些转换,因此必然涉及到接口电路的设计。
本文介绍一种单片内集成了ADC通道和DAC通道的模拟接口电路TLC320AD50C(以下简称AD50)与TMS320VC5402缓冲串口的接口的设计实现方法,然后,基于这种接口电路的硬件设计,通过软件编程实现信号的采集与回放。
图1.1典型的DSP数据处理系统框图
TMS320VC5402是TI公司生产的从属于TMS320C54x系列的一个工作灵活、高速、具有较高性价比、低功耗的16位定点通用DSP芯片。
其主要特点包括:
采用改进的哈佛结构,1条程序总线(PB),3条数据总线(CB、DB、EB)和4条地址总线(PAB,CAB,DAB,EAB),带有专用硬件逻辑CPU,片内存储器,片内外围专用的指令集,专用的汇编语言工具等。
TMS320VC5402含4K字节的片内ROM和16K字节的双存取RAM,1个HPI(HostPortInterface)接口,2个多通道缓冲单口MCBSP(Multi-ChannelBufferedSerialPort),单周期指令执行时间10ns,双电源(1.8V和3.3V)供电,带有符合IEEE1149.1标准的JTAG边界扫描仿真逻辑。
AD50是TI公司生产的一个16位、音频范围(采样频率为2K~22.05KHZ)、内含抗混叠滤波器和重构滤波器的模拟接口芯片,它有一个能与许多DSP芯片相连的同步串行通信接口。
AD50C片内还包括一个定时器(调整采样率和帧同步延时)和控制器(调整编程放大增益,锁相环PLL,主从模式)。
AD50有28脚的塑料SOP封装(带DW后缀)和48脚的塑料扁平封装(带PT后缀),体积较小,适应于便携设备。
AD50的工作温度范围是0~70℃,单一5V电源供电或5V和3.3V联合供电,工作时的最大功耗为120mW。
DSP(数字信号处理器)具有强大的数字信号处理能力,在其应用系统中,大多由ADC和DAC通道来完成对模拟信号的数字化处理。
设计了基于一种集成ADC和DAC于一体的TLC320AD50C模拟接口电路与TMS320VC5402定点DSP接口电路的硬件设计方法,并结合硬件电路实现主从模式下软件的设计。
2芯片TLC320AD50C的详细介绍
2.1TLC320AD50C概述
TLC320AD50C使用过采样的Σ-Δ技术提供从数字至模拟(D/A)和模拟至数字(A/D)的高分辨率低速信号转换。
该器件包括两个串行的同步转换通道(用于各自的数据方向);在DAC之前有一个插入滤波器(interpolationfilter)和ADC之后有一个抽取滤波器(decimationfilter)。
其它的高级功能有片内时序和控制。
Σ-Δ结构在低系统速度和低价格下产生高分辨率的模数和数模转换。
该器件的选项和电路结构可通过串行接口进行编程。
其选项包括:
复位、掉电、通信协议、串行时钟率、信号采样率、增益控制及测试方式等。
TLC320AD50C的工作温度范围从0℃~70℃。
2.2TLC320AD50C特点
●单5V电源供电或5V模拟、3V数字电源
●工作方式时功耗(PD)100mW(最大)
●硬件掉电方式时功耗2.5mW
●通用16位信号处理
●2的补码数据格式
●动态范围91dB(典型)
●ADC总的信号/(噪声+失真)88dB(最小)
●DAC总的信号/(噪声+失真)85dB(最小)
●全部器件为差分结构
●内部基准电压(Vref)
●ADC为64倍过采样,而DAC为256倍过采样(内部)
●串行接口
●当二次通信(secondarycommunication)时ALTDATA端提供数据监视
●系统测试方式,数字反馈(loopback)测试和模拟反馈测试
●支持各种V.34采样速率
●支持商业级音响应用
●多种转换速率可选,如MCLK/(128×N)或MCLK(512×N)
●可以配置成主机或从机方式
●可以支持三个从机器件
●输入和输出增益控制
一下是一些定义和术语的解释。
DataTransferInterval(数据传送时间间隔),时间间隔是指在此时间内数据从DOUT传出和向DIN传入。
此间隔为16个移位时钟,数据传送由帧同步信号的下降沿启动。
SignalData(信号数据),信号数据包括输入信号通过ADC通道转换的结果以及通过DAC通道至模拟输出的返回(数据)。
这与纯数字软件控制的数据相反。
PrimaryCommunications(首次通信),首次通信是指数字数据传送时间。
因为器件是同步的,所以信号数据来自ADC通道和送至DAC通道是同时发生的。
SecondaryCommunications(二次通信),二次通信是指送入DIN的数字控制和配置数据传送时间,以及从DOUT寄存器读出数据的时间。
只有当硬件或软件要求时才产生数据传送时间。
FrameSync(帧同步),帧同步就是指启动数据传送时间间隔的信号的下降沿。
首次帧同步启动首次通信,二次帧同步启动二次通信。
FrameSyncandSamplingPeriod(帧同步和采样周期),连续的两个首次帧同步信号下降沿之间的时间。
FrameSyncInterval(帧同步时间间隔),16个移位时钟所占据的时间间隔。
在帧同步信号的下降沿之后,帧同步信号在SCLK的第16个上升沿时变为高电平。
ADCChannel(ADC通道),从模拟输入到DOUT端数字转换结果之间的全部信号处理电路。
DACChannel(DAC通道),在加至DIN端的数字数据字与OUTP和OUTM端可用的差分输出模拟信号之间的所有信号处理电路。
2.3TLC320AD50C引脚及功能框图介绍
DW和PT封装的AD50的引脚排列(顶视)如图2.2和2.3所示。
图2.2DW封装的TLC320AD50C的引脚排列图
图2.2PT封装的TLC320AD50C的引脚排列图
TLC320AD50C的功能方框如图2.1所示。
图2.1TLC320AD50C功能框图
3系统硬件设计
3.1TMS320VC5402系统电路设计
一个完整的DSP系统通常是由DSP芯片和其他相应的外围器件构成。
下面以TMS320VC5402芯片为系统核心,设计DSP硬件系统的电路,包括时钟电路、电源电路、复位电路、功能配置引脚连接以及程序存储空间扩展和数据空间扩展电路。
时钟电路用来为TMS320VC5402芯片提供时钟电路,由一个内部振荡器和一个锁相环PLL组成,可通过晶振驱动。
另外外部中断均上拉高电平,并在个电源接口加去耦电容。
电路原理图如图3.1、图3.2、图3.3和图3.4所示。
图3.1TMS320VC5402芯片及时钟电路
图3.2功能配置引脚连接电路
图3.3电源电路和复位电路
TMS320VC5402的程序存储空间扩展RAM选用IS61LV6416,程序存储空间扩展FLASH选用AT29LV1024,数据存储空间扩展RAM选用IS61LV6416。
考虑到上电及复位时,引导的执行以及用户程序要存放到读取速度较快的外部程存RAM中,所以要设计程存空间和数存空间在转换的逻辑电路,即用DSP的XF外部标志输出引脚和非门74HC32来实现引导期间数据总线、地址总线在程存空间和数存空间的切换,具体电路如图3.4所示。
图3.4存储空间扩展电路
3.2TLC320AD50C与DSP的引脚连接方式
硬件连接采用AD50C为主控模式(=1),向C5402的McBSP0(从设备)提供SCLK(数据移位时钟)和FS(帧同步脉冲帧同步脉冲),并控制数据的传输过程并控制数据的传输过程。
TMS320C5402工作于SPI方式的从机模式,CLKX0和FSX0为输入引脚,在接收数据和发送数据时都是利用外界时钟和移位脉冲。
C5402与TLC320AD50C的硬件连接如图3.5所示。
图3.5AD50C与DSP连接方式
4系统软件设计
一旦完成了正确的硬件连接,接下来就可以进行软件编程调试了。
要完成的工作包括:
(1)TMS320VC5402串口的初始化。
首先将DSP串口1复位,再对串口1的16个寄存器进行编程,使DSP串口工作在以下状态:
以SPI模式运行,每帧一段,每段一个字,每字16位,采样率发生器由DSP内部产生,帧同步脉冲低电平有效,并且帧同步信号和移位时钟信号由外部产生。
DSP给AD50C编程用查询方式,接收A/D转换的D信号和发送D/A转换的D信号用DMA方式。
(2)AD50初始化。
该初始化操作过程包括通过TMS320VC5402的同步串口发送两串16位数字信息到AD50。
第一串为0000000000000001B,最低有效位(bits0)说明下一个要传输的数据字属于二次通信。
第二个数据值用来对AD50的4个数据寄存器的某一个进行配置。
Bits15~11位为0,Bits10~8位为所选寄存器地址值,Bits7~0位为所选中寄存器的编程值。
4个用户可编程寄存器的描述如下:
R1中包含模拟输入通道选择,硬件、软件编程方式选择;R2进行单机、从机工作和电话模式(电话模式内容请参阅参考文献[3])选择;R3控制带从机个数选择;R4用来设置模拟信号可编程放大增益和A/D、D/A转换频率。
其它两个寄存器R5、R6是厂家留着测试用的,用户不可以对其编程。
我们在以下例程中对4个可编程寄存器编程,使AD50C工作在以下状态:
选择INP/INM为工作模拟输入,15+1位ADC和15+1位DAC模式,不带从机,采样频率为10.67KHz,模拟信号输入和输出放大增益均为0dB。
(3)用户代码的编写。
完成音频信号采集与回放代码的编制。
本设计给AD50编程用查询方式,接收A/D转换的D信号和发送D/A转换的D信号用DMA方式。
4.1AD50的控制时序
AD50C的ADC通道主通信时序图如图4.1所示。
图4.1ADC通道主通信时序图
AD50C的ADC通道主通信和次通信时序图如图4.2所示。
图4.2ADC通道主通信和次通信时序图
AD50C的DAC信号通道主通信和次通信时序图如图4.3所示。
图4.3DAC信号通道主通信和次通信时序图
控制寄存器1位功能表如图4.5所示。
另外还有控制寄存器2、3、4的功能表,此处不再一一叙述,他们的映象表如图4.6所示。
图4.6控制寄存器的映象表
4.2程序流程图
图4.5系统程序流程图
4.3部分程序代码
TMS320VC5402中断及串口初始化部分程序如下所示。
……
stm #0002h, 48h
stm #0040h, 49h;设置串口1工作在每帧一个字每个字16位模式
……
stm #0006h, 48h
stm #0100h, 49h;设置CLKGDV=0,使串口1工作在最大频率
stm #0007h, 48h
stm #0a000h, 49h;设置CLKSM=1采样率发生器时钟由DSP内部产生
stm #000eh,48h
stm #0008h,49h;设置FSXP=1,使帧同步脉冲低电平有效
stm #0080h,imr;DMA一通道中断使能
rsbx intm;开放所有可屏蔽中断
……
AD50初始化的部分程序如下所示。
ld #0001h,a ;D0=1,请求第二次交流
stlm a,43h ;向TLC320AD50C写数据
aa:
stm #0001h,48h
ldm 49h,a
and #0002h,a
bc aa,aeq ;数据是否被TLC320AD50C接收
ld #0180h,a ;给TLC320AD50C的寄存器1编程,使其复位
stlm a,43h
bb:
stm #0001h,48h
ldm 49h,a
and #0002h,a
bc bb,aeq ;编程数据是否被TLC320AD50C接收
……
stm #0100h,a ;AD50C脱离复位设置寄存器1使INP、INM为输入
……
stm #0200h,a ;设置TLC320AD50C寄存器2,使电话模式无效
……
stm #0460h,a ;设置TLC320AD50C寄存器4,使采样频率为10.667KHz
……
stm #0300h,a ;设置TLC320AD50C寄存器3,使带0个从机
……
DMA1通道初始化的部分程序如下所示。
stm #05h, 55h ;选择DMA1通道
stm #0041h,56h ;设置串口1接收端为DMA事件的源地址
stm #027fh,56h ;设置DMA事件的目的地址
stm #3000h,56h ;设置直接传送数据个数
stm #5000h,56h ;设置串口1同步模式,一帧接收一个字
stm #404dh,56h ;设置DMA为多帧模式,源地址按57h的值调整
stm #20h, 55h
stm #0001h,57h ;设置目的地址为自动加1调整
stm #0282h,54h ;设置通道1为高优先级并使能通道1
……
5心得体会
在本周的课程设计中,由于时间紧凑,我大部分是参考网上的资料,但同时我也认识到课本上的知识的实际应用,增强了思考和解决实际问题的能力。
虽然只是短暂的一周,但在这期间,却让我受益匪浅。
这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。
只有牢固掌握了所学的理论知识,才能有清晰的思路,知道每一步该怎样走,才能顺利的解决每一个问题。
但在实际应用中还要更深入思考。
通过查阅书籍和上网搜索资料,我发现所说的基本上都是一样的,只有通过自己的实际操练,上机编程来验证,才能发现问题的所在,从而真正掌握知识技能。
一周的课程设计虽然结束了,但是在这期间所学的知识和老师的指导让我受益匪浅。
参考文献
1、邹彦.DSP原理及应用,电子工业出版社,2005.1
2、C54xApplicationsGuide.pdf
3、C54xMnemonicInstructionSet.pdf
4、[美]TexasInstrumentsIncorporated著梁晓雯裴小平李玉虎编译.TMS320C54x系列DSP的CPU与外设,清华大学出版社,2006.9
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