基于TSl01型DSP链路口的多通道高精度数据采集电路设计

摘要：介绍一种基于数字信号处理器(DSP)TSl01链路口的多通道高精度数据采集电路的设计方法，详细阐述利用多个ADS8361型A/D转换器进行数据采集，并经TSl01链路口传输数据的FP-GA和DSP设计实现，讨论如何提高A/D转换精度的问题。
关键词：TSl01；链路口：ADS8361；采样精度

1 引言
    在信号处理领域，DSP技术的应用越来越广泛，基于DSP的信号采集处理平台不断出现。常见的DSP信号采集处理平台利用总线进行数据采集，总线上多个设备的数据传输经常相互冲突。ADI公司的Tiger SHARCl01型DSP(简称TSl01)只有总线和链路口可以与外设通信，基于缓解总线冲突的目的，笔者设计了一种以现场可编程门阵列(FPGA)作为数据接口缓冲器，避开总线，经TSl01的链路口将多个A/D转换器采集到的数据传送到TSl01。由FPGA完成多个多路A/D转换器采集数据的缓冲排序，并形成符合TSl01链路口传输协议的数据流，送到TSl01的链路口。该设计实现了链路口与其他非链路口外部设备的通信。减少了TSlOl总线上的数据传输量，缓解了总线竞争的问题。

2 ADS8361型A/D转换器
    ADS8361是TI公司生产的双通道、四路、模拟差分输入、16 bit同步采样串行A/D转换器。4路模拟差分输入分成2组，每组各有1个A/D转换模块，可同时采样；对每个输入最快可以实现500 ks/s的采样率，即2 μs就完成1次A/D采样。采样后的数据由串行接口输出，这对于具备同步串行接口的大多数DSP是非常有用的，DSP的总线可以挂接多种其他设备，在高速连续采样的过程中，DSP的串口和总线可以互不影响地独立工作。
    ADS8361在采样频率率为50 kHz时，有80 dB的共模抑制，这在强噪声环境中非常重要。ADS8361需要模拟电压和数字电压分别供电，考虑到与外部电路的匹配，所以模拟部分选择5 V供电，数字部分与DSP的I/O电压一致，选择3.3 V供电。工作时既可以使用内部2.5 V参考电压，也可以由外部提供参考电压。差分模拟输入信号的电压范围为±2.5V。ADS8361采用SSOP-24封装。CS引脚是ADS8361的片选；Ml、M0、AO引脚用于选择采样通道和数据通道；RD引脚为读取数据引脚，CONVST引脚是A/D转换脉冲，在使用中应将RD与CON-VST引脚相连；CLOCK引脚用于输入采样时钟(与下文中FPGA输出的ADCLK相连)；2个通道的数据输出引脚分别为SERIAL DATA A和SERIALDATA B，每次转换输出16 bit数据。ADS8361的工作时钟最大值为10MHz，高电平和低电平至少各40 ns。

3 TSl01的链路口及传输方式
    TSl01是高性能128 bit浮点数字信号处理器，其运算能力很强(18亿次/秒)，而外部总线吞吐能力相对不足(若外部频率为100 MHz，则外部总线传输速度为800 MB/s)，当外设较多时很容易形成I/O瓶颈。不过它有四个高速链路口，每个链路口的传输速度极限为250 MB/s，适合TSl01之间的点对点高速传输，也可与其相同协议的外设通信，从而大大缓解了总线压力。
    TSl01的每个链路口由发送器和接收器两部分组成，每部分都有128 bit的移位寄存器和128 bit的缓冲寄存器，其结构如图l所示。每个链路口均有8 bit数据线和LxCLKIN、LxCLKOUT和LxDIR(x为链路口序号0-3)3个控制引脚，可支持多片TSl01处理器间点对点的双向数据传送，也可以用于与外部设备进行数据传输。其中LxDIR用来指示链路口的数据流向。LxCLKIN和LxCLKOUT为链路口的时钟/确认握手信号。发送数据时，LxCLKOUT为时钟信号，LxCLKIN为确认信号；接收数据时，LxCLKIN为时钟信号，LxCLKOUT为确认信号。发送数据时，首先传输4字数据到链路发送缓冲寄存器LBUFTx，再将其复制到移位寄存器(若移位寄存器为空，此时LBUFTx可被写入新的数据)，然后以字节的形式发送(先发送低字节)，每个字节在链路时钟的上升沿和下降沿被驱动和锁存。接收器的移位寄存器为空时，系统将开始接收发送方传输的数据并将其送入移位寄存器，同时驱动LxCLKOUT为低电平。当整个4字接收完毕后，如果接收缓冲寄存器LBUFRx为空，系统会将4字数据从移位寄存器复制到LBUFRx，并在数据被复制后驱动其Lx-CLKOUT为高电平，以告诉发送方接收缓冲寄存器为空，可以准备接收新数据。发送方检测到Lx-CLKIN为高电平后立即进行下次传输。

    常见的启动链路传输数据的方法有二种：利用TSl01的IRQ中断启动和利用链路中断启动。链路传输以DMA方式进行，DMA方式是在TSl01内核不干预的情况下，后台通过链路口高速传送数据的机制。从外部设备向链路口传送数据，实际上是链路口把外部设备送来的数据自动保存到TSlOl的内、外存储器中，也可以经其他链路口转发出去。对链路口及其DMA寄存器进行正确的设置后就可以设置TCB块。DMA启动后，一旦链路缓冲器未满，它将向外部设备请求数据。这时，如果DMA可以占用内部或外部数据总线，那么，系统便可将数据从链路口传送到存储器中。

4 数据采集的硬件设计
    TSIOI是运算能力强但与外部连接资源相对少的一类DSP，在多个TSl01级连的系统中，如果利用总线进行数据采集，A/D转换器通常需要长时间占用总线，会经常出现争占总线的问题，从而导致信号采集处理出现总线瓶颈，利用链路口进行数据采集可以很大程度地释放总线资源。本应用中需要对10路模拟信号同时进行500 kHz的采样，传输的数据率为lOx0.5 MBx2=10 MB/s<250 MB/s。
    TSl01通过FPGA进行数据采集，它的链路口作为数据输入口。它们的连接结构如图2所示，将链路口的LxCLKIN直接和FPGA连接，由FPGA驱动，在FPGA向链路口传送数据时作为链路口的时钟输入。LxDIR和LxCLKOUT可以悬空，链路口的8条数据线接到FPGA上。

    设计中将每个A/D转换器的M1、NO、A0引脚接地，仅取用每个A/D转换器的2个模拟差分输入——AO和B0通道，2个通道可以在2μs之内同时完成1次采样。本设计共用5个ADS8361级连以扩充模拟输入通道，实现10个模拟通道输入，每个ADS8361的RD与CONVST连接，由FPGA进行控制，5个ADS8361同时进行A/D转换，转换后在FPGA内同时完成串并转换，把转换后的并行数据先锁存在FPGA内部，再将各通道按先低字节后高字节依次传送到TSl01的链路口。

5 数据采集的软件设计
    软件部分包括TSl01软件设计和FPGA软件设计，FPGA软件设计采用VHDL实现。其结构如图3所示。

    FPGA的主要操作是将5个ADS8361的10路串行采集数据转换成20个8 bit数据，再将数据锁存，同时产生链路时钟，将锁存后的数据发送到TSl01链路口。需要实现的时序如图4所示，其中CLOCK是TSlOl外部时钟，ADCLK是ADS8361的工作时钟，是CLDCK的5分频，占空比为60％，CONVST与RD相连接，LINKCLK是链路时钟，LINKDATA是链路数据。

    使用链路传输时，TSl01在链路时钟的上升沿和下降沿都锁存数据，20个8 bit数据需要lO个链路脉冲，而链路口每次至少需要传输128 bit的数据，即至少需要8个脉冲，且发送数据需要的脉冲数必须为8的倍数。所以设计中每次通过链路发送数据的脉冲数为16个，前10个传输A/D转换器采集到的数据，其后的6个脉冲发送0x55。发送到链路的数据是A/D转换器上次转换的结果。TSl01可以设置链路口工作时钟为内核时钟的2、3、4、8分频，设计中TSl01外部时钟CLOCK是50MHz，内核时钟是CLOCK的5倍频即250 MHz，链路口接收数据时FPGA给TSIOI的链路时钟LINKCLK是25 MHz TSl01链路口工作时钟应尽量接近链路时钟LINKCLK，所以设置TSl01链路口工作时钟为内核时钟的8分频即31.25 MHz。
    系统采用链路中断方式接收FPGA送来的数据，链路中断方式数据接收的程序如下：

6 A/D转换器电路的设计和使用
    设计高精度A/D转换器的关键是保证有效位数，ADS8361的输入动态范围为：±2.5 V，每个量化单位对应0.076 mV，因此应设法降低噪声和干扰。噪声和干扰的来源主要有二种：一种是A/D转换器自身的噪声如量化噪声等，另一种是周围电路产生的噪声干扰。前者是A/D转换器固有的，后者的大小远远超过前者，特别是电源、模拟/电路数字电路之间的干扰。ADS8361的差分输入方式大大降低了共模干扰。设计中主要考虑如何在电路中减少其他噪声和干扰。
    电源设计是抑制噪声的关键，本文介绍的设计具有多种电压(模拟5 V、-5 V和数字3.3 V、1.2V等)并且是混合模拟和数字信号的板级设计，选择合适的电源电路，合理地进行电源层和地层的切割是很重要的。开关电源具有体积小、效率高、输出稳定等优点，同时能够很好地解决TSlOl的上电次序问题，但纹波明显。开关频率越高输出电压纹波越小，电路中选用的电感器在10μH~200 μH为宜，电路中可以使用ESR小、容值大的电容器构成去耦电路，同时在板上放置多种电容器进行滤波。
    减少数字信号干扰也可以有效提高A/D转换器的精度，布板和布线时要使ADS8361模拟差分信号输入区域尽量远离数字信号，FPGA设计中尽量避免多个信号电平同时翻转，同时给A/D转换器提供良好的工作时钟，应使用串联终端法，串联1只小电阻器可以很好减少时基抖动，时钟信号进入A/D转换器的布线越短越好，同时不要离数字信号太近，也不要靠近模拟区，否则会增加模拟区的噪声。同时要注意单点共地，在共地的点上串接1个磁珠。设计中使用了多层板布局，在轻载情况下可以将输出电压纹波减到4mV。

7 结束语
    笔者设计一种通过TSl01链路口进行多A/D转换器多通道高精度数据采集的实现方法，在DSP信号采集处理系统中可以不占用总线，实现并行数据传输和处理，有更高的实时性，同时探讨了如何提高A/D转换器精度的问题。该设计方法已经应用于多种并行和串行A/D转换电路中，具有通用性。