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基于DSP和LTC1859數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
作者：RFID世界網(wǎng) 收編
來源：電子網(wǎng)
日期：2010-03-29 10:46:53
摘要：現(xiàn)在很多測控制系統(tǒng)為了提高抗干擾的能力,傳感器輸出信號多為 3線制的差分信號，如航空舵機(jī)的控制系統(tǒng) ,通常采用的方法是把差分信號通過復(fù)雜電路處理再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,這樣不僅增加了硬件成本,還降低系統(tǒng)精度。
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現(xiàn)在很多測控制系統(tǒng)為了提高抗干擾的能力,傳感器輸出信號多為 3線制的差分信號，如航空舵機(jī)的控制系統(tǒng) ,通常采用的方法是把差分信號通過復(fù)雜電路處理再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,這樣不僅增加了硬件成本,還降低系統(tǒng)精度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,不僅可以實(shí)現(xiàn)多路的單信號輸入 ,還可以實(shí)現(xiàn)多路差分信號的輸入 ,對輸入的信號的范圍可以通過軟件滿足不同的要求，真正實(shí)現(xiàn)差分輸入抑制共模噪聲。
LTC1859是凌力爾特公司最新推出的一款高性能的 8通道、 16位、100ksps的 AD轉(zhuǎn)換器,每個(gè)通道可通過軟件實(shí)現(xiàn) 0~5V，0~10V，0~±5V，0~±10V的不同范圍的輸入電壓，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)單輸入和差分信號輸入的選擇，可承受至 ±25V的故障保護(hù)。LTC1859的多路復(fù)用器可以配置為接受 4個(gè)差分輸入、 8個(gè)單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件提供了卓越的 DC性能，具有在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 15位無漏失碼和±3 LSBMAX INL。LTC1859具有較好的失調(diào)、滿標(biāo)度增益和通道至通道匹配。適用于多通道高分辨率應(yīng)用，如儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)過程控制。它與 CPU之間采用的 SPI總線通信。LTC1859用單 5V電源工作，同時(shí)僅消耗 40mW功率。LTC1859還具有溫度系數(shù)為 ±10ppm/oC的 2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)，如果需要較高的準(zhǔn)確度，還可以從外部驅(qū)動(dòng)。對于那些對功耗敏感的應(yīng)用， LTC1859提供了兩種斷電模式，在基準(zhǔn)仍保持運(yùn)行狀態(tài)時(shí)功耗降至 27.5mW(打盹模式)，或基準(zhǔn)完全斷電時(shí)功耗降至 40uW(休眠模式)。LTC1857和 LTC1858分別是引腳兼容的 12位和 14位器件。本系統(tǒng)的 CPU為 TI公司的 TMS320C2407A，主頻可達(dá) 40MHZ，它有標(biāo)準(zhǔn)的 SPI總線，豐富的外設(shè)，非常適合與 LTC1859構(gòu)成高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的。
２ 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由 2塊 LTC1859構(gòu)成 8通道的差分信號輸入，也可以實(shí)現(xiàn) 16通道的單路信號輸入，或者它們之間的組合，詳細(xì)電路如圖 1。本電路具有通用性，在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，效果很好。下面針對 LTC1859芯片引腳對對電路進(jìn)行詳細(xì)分析。
CH0~CH7是8路模擬輸入通道，在本系統(tǒng)中構(gòu)成了4路差分輸入信號，每路差分輸入信號接3000P的濾波電容去干擾。 MUXOUT+、MUXOUT-為模擬復(fù)用器的正負(fù)輸出，把它們連在ADC+、ADC-上進(jìn)行正常操作。 Vref為2.5V的基準(zhǔn)電壓輸出。 ODD為數(shù)字輸出緩沖器的電源，這樣使SPI總線上的數(shù)字信號的電壓等于 ODD的接入電壓，本系統(tǒng)采用的 DSP2407,它對輸入的數(shù)字信號要求為3.3V,所以這里接的 3.3V電壓，就不需要另加電平轉(zhuǎn)換電路。 BUSY為輸出轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，當(dāng)正在轉(zhuǎn)換中為低，轉(zhuǎn)換結(jié)束變高，連在 DSP的I/O口上， SDO為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸出，接在 DSP的SPISOMI引腳上，SDI為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸如，接在DSP的SPISIMO引腳上 ,SCK為SPI總線的時(shí)鐘，接在DSP的SPICLK上。RD為引腳SDO數(shù)字輸出的能使信號，當(dāng) RD為低能使輸出，當(dāng) RD為高SDO為高阻抗，該引腳接在 DSP的I/O口上，由于 LTC1859沒有片選信號，為了讓多片 LTC1859在總線上不發(fā)生沖突，把要工作的 LTC1859的RD置為低，把要沒工作的LTC1859的RD置為高。CONVST為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳。其它引腳分別接電源、數(shù)字地、模擬地，就不再詳細(xì)介紹。
?。场≤浖O(shè)計(jì)
由于采用標(biāo)準(zhǔn) SPI總線通信，軟件的關(guān)鍵是 DSP和 LTC1859之間的時(shí)序匹配，首先介紹 LTC1859軟件配置。
3.1 LTC1859不管是在發(fā)送系統(tǒng)中還是接收系統(tǒng)中，都是在 SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲，這就要求 DSP在進(jìn)行 SPI初始化時(shí)采用上升沿?zé)o延時(shí)模式。8位的控制字通過 SDI輸入，用于配置 LTC1859以進(jìn)行下一個(gè)轉(zhuǎn)換，同時(shí)前一個(gè)轉(zhuǎn)換輸出在 SDO上輸出，在數(shù)據(jù)交換的末端在 CONVST上施加一個(gè)上升沿啟動(dòng)被請求的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果將在將在下一個(gè)數(shù)據(jù)傳送周期提供。LTC1859的 8位命令控制字在首 8個(gè) SCK的上升沿按時(shí)間順序記錄到 SDI輸入中，SDI隨后的輸入的位被忽略?？刂谱值?nbsp;8位定義如表 1
程序源代碼及其詳細(xì)注釋：
void SPIAD_Init()
{ MCRB=MCRB | 0x001C; // SPISIMO,SPISOMI,SPICLK特殊功能方式 SPICCR=0x000F; // 16bit數(shù)據(jù), 上升沿?zé)o延時(shí)模式 SPICTL=0x0006; //禁止中 斷 SPIBRR=0x0004; // 8M波特率 ,40M/5=8M SPICCR=SPICCR | 0x80;
}
void ADLTC()
{ PADATDIR=PADATDIR|0x1010; //將 A4即 LTC2RD置高 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFD; //將 A1即 LTC1RD置低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //將 A0 即 LTC1CON(CONVST)置低 PADATDIR=PADATDIR|0x0101; //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0004<<8); // 輸入通道 1控制字，當(dāng) LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成 ,則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字 while ((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
SPIRXBUF=SPIRXBUF; PADATDIR=PADATDIR|0x0101; asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000);PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE;
while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); SPITXBUF=(0x0014<<8);
while((SPISTS&0x0040)!=0x0040);
/*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/ //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動(dòng)轉(zhuǎn)換
//等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 //輸入通道 2控制字， 當(dāng) LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成,則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字 //等待總線傳輸
ADINRESULT[4]=(0x0FFF&SPIRXBUF); /*保存轉(zhuǎn)換結(jié)果 */ SPIRXBUF= SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/ PADATDIR=PADATDIR|0X0101; //將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉高啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將
A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0024<<8); //輸入通道3控制字當(dāng)LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成,
則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字
while((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
ADINRESULT[5]=SPIRXBUF; /*保存轉(zhuǎn)換結(jié)果 */
SPIRXBUF=SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/
……………………………………………通道 3、4的轉(zhuǎn)換程序原理一樣 }
?。础〗Y(jié) 論
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了全新實(shí)用的硬件和軟件設(shè)計(jì)，特別適合差分信號和電壓范圍變化較大的系統(tǒng)該設(shè)計(jì)，對與 LTC1859與其它的 CPU的設(shè)計(jì)也有很大的參考價(jià)值。該系統(tǒng)性價(jià)比高，具有一般通用性能，有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。
現(xiàn)在很多測控制系統(tǒng)為了提高抗干擾的能力,傳感器輸出信號多為 3線制的差分信號，如航空舵機(jī)的控制系統(tǒng) ,通常采用的方法是把差分信號通過復(fù)雜電路處理再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,這樣不僅增加了硬件成本,還降低系統(tǒng)精度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,不僅可以實(shí)現(xiàn)多路的單信號輸入 ,還可以實(shí)現(xiàn)多路差分信號的輸入 ,對輸入的信號的范圍可以通過軟件滿足不同的要求，真正實(shí)現(xiàn)差分輸入抑制共模噪聲。
LTC1859是凌力爾特公司最新推出的一款高性能的 8通道、 16位、100ksps的 AD轉(zhuǎn)換器,每個(gè)通道可通過軟件實(shí)現(xiàn) 0~5V，0~10V，0~±5V，0~±10V的不同范圍的輸入電壓，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)單輸入和差分信號輸入的選擇，可承受至 ±25V的故障保護(hù)。LTC1859的多路復(fù)用器可以配置為接受 4個(gè)差分輸入、 8個(gè)單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件提供了卓越的 DC性能，具有在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的 15位無漏失碼和±3 LSBMAX INL。LTC1859具有較好的失調(diào)、滿標(biāo)度增益和通道至通道匹配。適用于多通道高分辨率應(yīng)用，如儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)過程控制。它與 CPU之間采用的 SPI總線通信。LTC1859用單 5V電源工作，同時(shí)僅消耗 40mW功率。LTC1859還具有溫度系數(shù)為 ±10ppm/oC的 2.5V內(nèi)部基準(zhǔn)，如果需要較高的準(zhǔn)確度，還可以從外部驅(qū)動(dòng)。對于那些對功耗敏感的應(yīng)用， LTC1859提供了兩種斷電模式，在基準(zhǔn)仍保持運(yùn)行狀態(tài)時(shí)功耗降至 27.5mW(打盹模式)，或基準(zhǔn)完全斷電時(shí)功耗降至 40uW(休眠模式)。LTC1857和 LTC1858分別是引腳兼容的 12位和 14位器件。本系統(tǒng)的 CPU為 TI公司的 TMS320C2407A，主頻可達(dá) 40MHZ，它有標(biāo)準(zhǔn)的 SPI總線，豐富的外設(shè)，非常適合與 LTC1859構(gòu)成高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的。
２ 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由 2塊 LTC1859構(gòu)成 8通道的差分信號輸入，也可以實(shí)現(xiàn) 16通道的單路信號輸入，或者它們之間的組合，詳細(xì)電路如圖 1。本電路具有通用性，在實(shí)際應(yīng)用中性能穩(wěn)定，效果很好。下面針對 LTC1859芯片引腳對對電路進(jìn)行詳細(xì)分析。
CH0~CH7是8路模擬輸入通道，在本系統(tǒng)中構(gòu)成了4路差分輸入信號，每路差分輸入信號接3000P的濾波電容去干擾。 MUXOUT+、MUXOUT-為模擬復(fù)用器的正負(fù)輸出，把它們連在ADC+、ADC-上進(jìn)行正常操作。 Vref為2.5V的基準(zhǔn)電壓輸出。 ODD為數(shù)字輸出緩沖器的電源，這樣使SPI總線上的數(shù)字信號的電壓等于 ODD的接入電壓，本系統(tǒng)采用的 DSP2407,它對輸入的數(shù)字信號要求為3.3V,所以這里接的 3.3V電壓，就不需要另加電平轉(zhuǎn)換電路。 BUSY為輸出轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)，當(dāng)正在轉(zhuǎn)換中為低，轉(zhuǎn)換結(jié)束變高，連在 DSP的I/O口上， SDO為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸出，接在 DSP的SPISOMI引腳上，SDI為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸如，接在DSP的SPISIMO引腳上 ,SCK為SPI總線的時(shí)鐘，接在DSP的SPICLK上。RD為引腳SDO數(shù)字輸出的能使信號，當(dāng) RD為低能使輸出，當(dāng) RD為高SDO為高阻抗，該引腳接在 DSP的I/O口上，由于 LTC1859沒有片選信號，為了讓多片 LTC1859在總線上不發(fā)生沖突，把要工作的 LTC1859的RD置為低，把要沒工作的LTC1859的RD置為高。CONVST為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換引腳。其它引腳分別接電源、數(shù)字地、模擬地，就不再詳細(xì)介紹。
圖 1 硬件系統(tǒng)圖 Fig1 Hardware system configuration
?。场≤浖O(shè)計(jì)
由于采用標(biāo)準(zhǔn) SPI總線通信，軟件的關(guān)鍵是 DSP和 LTC1859之間的時(shí)序匹配，首先介紹 LTC1859軟件配置。
3.1 LTC1859不管是在發(fā)送系統(tǒng)中還是接收系統(tǒng)中，都是在 SCK的下降沿傳輸，上升沿被捕獲，這就要求 DSP在進(jìn)行 SPI初始化時(shí)采用上升沿?zé)o延時(shí)模式。8位的控制字通過 SDI輸入，用于配置 LTC1859以進(jìn)行下一個(gè)轉(zhuǎn)換，同時(shí)前一個(gè)轉(zhuǎn)換輸出在 SDO上輸出，在數(shù)據(jù)交換的末端在 CONVST上施加一個(gè)上升沿啟動(dòng)被請求的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果將在將在下一個(gè)數(shù)據(jù)傳送周期提供。LTC1859的 8位命令控制字在首 8個(gè) SCK的上升沿按時(shí)間順序記錄到 SDI輸入中，SDI隨后的輸入的位被忽略?？刂谱值?nbsp;8位定義如表 1
圖 2流程圖 Fig2 Flow chart
程序源代碼及其詳細(xì)注釋：
void SPIAD_Init()
{ MCRB=MCRB | 0x001C; // SPISIMO,SPISOMI,SPICLK特殊功能方式 SPICCR=0x000F; // 16bit數(shù)據(jù), 上升沿?zé)o延時(shí)模式 SPICTL=0x0006; //禁止中 斷 SPIBRR=0x0004; // 8M波特率 ,40M/5=8M SPICCR=SPICCR | 0x80;
}
void ADLTC()
{ PADATDIR=PADATDIR|0x1010; //將 A4即 LTC2RD置高 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFD; //將 A1即 LTC1RD置低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //將 A0 即 LTC1CON(CONVST)置低 PADATDIR=PADATDIR|0x0101; //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0004<<8); // 輸入通道 1控制字，當(dāng) LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成 ,則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字 while ((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
SPIRXBUF=SPIRXBUF; PADATDIR=PADATDIR|0x0101; asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000);PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE;
while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); SPITXBUF=(0x0014<<8);
while((SPISTS&0x0040)!=0x0040);
/*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/ //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動(dòng)轉(zhuǎn)換
//等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 //輸入通道 2控制字， 當(dāng) LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成,則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字 //等待總線傳輸
ADINRESULT[4]=(0x0FFF&SPIRXBUF); /*保存轉(zhuǎn)換結(jié)果 */ SPIRXBUF= SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/ PADATDIR=PADATDIR|0X0101; //將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉高啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 asm(" NOP "); while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將
A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0024<<8); //輸入通道3控制字當(dāng)LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成,
則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字
while((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
ADINRESULT[5]=SPIRXBUF; /*保存轉(zhuǎn)換結(jié)果 */
SPIRXBUF=SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/
……………………………………………通道 3、4的轉(zhuǎn)換程序原理一樣 }
?。础〗Y(jié) 論
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了全新實(shí)用的硬件和軟件設(shè)計(jì)，特別適合差分信號和電壓范圍變化較大的系統(tǒng)該設(shè)計(jì)，對與 LTC1859與其它的 CPU的設(shè)計(jì)也有很大的參考價(jià)值。該系統(tǒng)性價(jià)比高，具有一般通用性能，有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。
