基于TMS320VC5509与AD7322的数据采集系统的设计

摘要：为了提高数据采集系统的采样速度、转换精度、降低系统功耗，设计了一种采用TI公司的C5000系列定点DSP芯片TMS320VC5509和ADI Device公司的2通道的、软件可选的、双极性输入的、最高转换速率是1MSpS、12位的带符号的逐次逼近型串行AD7322的数据采集系统，并阐述了该系统的主要硬件电路的搭建原理、连接方法以及采集过程。该系统的前端数据采集单元采用2160像元的TCD1206SUP线阵CCD作为图像传感器，CCD输出的视频信号经过一个二阶有源低通滤波电路进行滤波后，被高速串行A／D转换器AD7322采集并转换成数字信号，然后将数字信号送进DSP。通过测试表明，该系统设计方案合理，达到了设计目的和要求。
关键词：TMS320VC5509；AD7322；数据采集；电路连接

    在以DSP为主的嵌入式应用系统中，经常用到前端数据采集单元，在该单元中对所采集的信号进行滤波，然后经过A／D转换器进行模数转换，最后将采集到的信号传入DSP芯片中。这里给出了一种采用TI公司的C5000系列定点DSP芯片TMS320VC5509和ADI Device公司的2通道的、软件可选的、双极性输入的、最高转换速率是1MSpS、12位的带符号的逐次逼近型串行AD7322的数据采集系统。

1 关键硬件接口电路实现
1．1 CCD模块
    采用东芝公司的TCD1206SUP线阵CCD，TCD1206SUP器件是一种典型的双沟道线阵CCD器件，具有较高的灵敏度和很低的暗电流噪声，光敏像元数目为2160，每个光敏单元的尺寸为14μm、14μm高，中心距亦为14μm，光敏元阵列总长为30．24 mm。有4档驱动频率可以设定，分别为500 kHz，250 kHz，125 kHz，62．25 kHz。对外接口采用标准的9针(DB9)连接。其中FC为行同步脉冲信号，其高电平到来标志着一行输出的开始。SP为像元同步脉冲，对应一行中每一个点的输出。U0为经过放大输出的视频信号，A0～A3为积分时间设置端口，+5 V和+12 V为直流电源，GND为地线，驱动器的地线与DB9连接口的外壳相连。积分时间控制信号A0～A3均为标准TTL电平控制，0000～1111分别控制16档积分时间变换；0000时间最短，1111时间最长。
1．2 低通滤波电路
    由于CCD输出的视频信号中，混杂有幅度较大的复位脉冲干扰和携带有高频噪声信号，为了削弱频率较高的干扰、噪声，在CCD与AD转换器之间加一个二阶有源低通滤波电路，滤去高频干扰信号，以保证硬件电路的系统精度。低通滤波电路如图1所示。

    图2中的放大器为精密低噪声运算放大器OPA121，它是一个低成本高速FET场效应管差分输入精密运算放大器，差模和共模阻抗都很高。偏置采用共射共基电路，具有很低的输入偏流，并且有调零输出端。片内有经激光修正、电解质绝缘防护和新的电路设计，使芯片获得了极小的偏流噪声和很低的漂移。OPA121的8脚为芯片基底连接，一般不需要调零。但是若要调零，在1、5脚与负电源接入10 kΩ多圈电位器即可，调整范围为±10 mV。在使用时要对输入端适当进行保护，否则就会失去运放的固有特性。而且电容C的容量不易超过1μF，因为大容量的电容器体积大，而且价格高，应尽量避免使用。其中电阻R2=R3=R=6．4 kΩ，电容C10=C11=C=0．1pF，这样计算出该滤波电路的截止频率和增益分别如下式：
    f-3dB=1／2πRC=250kHz     (1)
    G=1+(R5／R4)=1.57        (2)
1．3 A／D转换
    AD7322是ADI Device公司的2通道的、软件可选的、双极性输入的、最高转换速率是1MSpS、12位的带符号的逐次逼近型串行AD。它有以下特点：软件可选的输入电压范围有±10 V，±5 V，±2．5 V，0 V～+10 V；2个模拟输入通道，可以配置成单端模拟输入、真差分模拟输入、伪差分模拟输入；低功耗，其最大功耗30 mW；自动节电功能；模拟输入阻抗高；内置2．5 V的参考电压。
    AD7322的功能结构如图2所示。其中是片选信号，低有效。这个脚的输入电平有两个功能，一个是AD7322转换初始化的标识，一个是串行数据搬移帧的标识。VIN0、VIN1是模拟输入通道0和模拟输入通道1，模拟输入通道的转换是通过控制寄存器的通道地址位ADD0来进行选择。如前文所述，输人通道可以接收±10 V，±5 V，±2．5 V的双极性电压输入，也可以接收0～+10 V范围的单极性电压输入。VSS是为模拟输入部件提供的负极性电压，VDD是为模拟输入部件提供的正极性电压。VCC是提供给AD7322片上的ADC的核心电压2．7～5．25 V，该端去耦到模拟地。VDRIVE提供输入的逻辑电压，这个电压决定了片上接口工作的电压范围，该引脚去耦到数字地，而且该电压可能与VCC引脚上的电压不相同，但是不能超过VCC电压的0．3V。REFIN／OUT是输入输出参考电压，AD7322包含一个2．5 V的内部参考电压，当选用内部参考电压时，在这个引脚上要放置一个680nF的电容，当使用外部参考电压时，内部参考电压失效。DIN是数据输入引脚，该引脚上的数据是写到片上寄存器中的数据，并在SCLK时钟的下降沿打入到寄存器中。DOUT是串行数据输出引脚，转换的输出数据以一个串行数据流形式输出在该引脚上，并且这些数据位在输入SCLK的下降沿被输出，经过16个SCLK后才可以访问这些数据。这个数据流包含2个前导0，1个通道说明位，1个符号位，12个转换数据位。输出的数据的第一位以高字节开始。SCLK是串行时钟输入，一个串行时钟输入需要提供给SCLK来用做从AD7322访问数据的时钟。这个时钟也用做转换过程的时钟源。
1．4 DSP模块
    DSP芯片采用Ti公司的TMS320VC5509，它是一种高性能、低功耗、定点数字信号处理器，其主要特点如下：
    1)最高主频能够达到144MHz，指令周期6．94ns。
    2)CPU的内部总线结构包括一条程序总线，三条数据读总线，两条数据写总线及用于外设和DMA控制器的总线。这些总线使得C5509能在一个时钟内完成三次数据读操作和两次数据写操作。5509还拥有两个乘法累加器(MAC)，每个累加器都能够在一个周期内执行一个17bitx17bit的乘法运算。
    3)128 kx16 Bit的片上ROM，包括64 k Bytes的DARAM(8块，每块4 kx16 Bit)，192K Bytes的SARAM(24块，每块4 kxl6 Bit)。
    4)64 k Bytes的一等待片上ROM(32 k×16 Bit)。
    5)最大可寻址8 Mxl6 Bit的外部存储空间。16位的外部存储器扩展接口可实现与异步存储器件(SRAM、EPROM)和同步存储器件(SDRAM)的无缝连接。
    6)片上外设包含：
    2个20 Bit的定时器；
    1个看门狗定时器；
    1个六通道的直接存储器访问控制器(DMA)；
    1个主机接口(HPI)；
    3个多通道缓冲串行口(Mcbsp)；
    2个多媒体卡(MMC)或安全数字存储卡(SD Card)；
    1个可编程的数字锁相环时钟发生器；
    7个通用输入输出口(GPIO)和1个外部标志输出引脚(XF)；
    1个通用串行USB接口(12 Mbps)；
    1个内部集成电路模块(I2C)；
    1个实时时钟(RTC)；
    1个两通道的10Bit的逐次逼近式模数转换器(ADC)。
    7)JTAG仿真接口，符合IEEE1941．1标准(JTAG)边界扫描逻辑。
1．5 A／D转换器和CCD以及DSP的接口设计
    AD7322在数据转换过程中，采用SCLK引脚上的串行时钟用做转换时钟和控制从ADC中搬移数据的时钟。的下降沿使得采样与保持电路进入保持状态并使总线为三态输出，然后模拟输入信号被采样。一旦转换开始，总共需要16个SCLK时钟周期才能完成。在第14个SCLK的上升沿，采样与保持电路回到跟踪模式，在第16个SCLK的下降沿DOUT脚回到三态输出状态。如果经过16个SCLK时钟周期，的上升沿到来，则转换被中止，且DOUT脚回到三态输出状态。根据在什么时候信号的电平变高，被选择的相应寄存器才有可能被更新。具体的串口时序如图3所示。

    AD7322与CCD、DSP连接的原理框图如图4所示。

    具体的连接方法是将CCD的行同步信号FC接入DSP的通用输入输出引脚GPI04脚。将CCD的像元同步信号SP接入DSP的McBSP帧同步输入脚FSR，控制每一个像元的采样与转换。将DSP的帧同步输出脚FSX脚接入AD7322的CS脚作为A／D芯片的选通信号。将DSP的McBSP的时钟输出脚CLKX和时钟输入脚CLKR接至AD7322的串行时钟SCLK，保证A／D转换器和McBSP工作在同一时钟下。将CCD的模拟输出信号U0经一个二阶有源低通滤波电路滤波并经过一个双运放OP2177进行驱动后的两个输出接入AD7322的两个模拟输入端VIN0和VIN1。将DSP的数据输出引脚DX接入AD73 22的DIN引脚，作为对ADC的控制信号。将AD7322的输出引脚D0与McBSP的数据输入引脚DR相连。另外，本系统中的AD7322的参考电压用的是ADC内部的参考电压，所以需要在REFIN／OUT引脚要用一个680 nF的电容去耦到模拟地。
    由于在信噪比和谐波失真有严格要求的情况下，AD7322的模拟输入必须由一个低阻抗信源驱动，高阻抗信源很明显地影响ADC的交流特性。所以本系统中采用一个双运放OP2177，OP2177是ADI公司生产的高精度、低偏置、低功耗的集成运算放大器，片内集成了两个运放，可灵活的组成各类放大和滤波电路。

2 数据采集过程
    1)Mcbsp的接收器进行复位操作。
    2)根据需要，对Mcbsp的寄存器进行编程。
    3)使能Mcbsp的接收器。
    4)检测DSP的Gpio4的电平状态，这里CCD的FC给DSP的Gpio4，一旦Gpio4为高，则说明CCD的行同步FC的上升沿到来，也就是说CCD的有效像元开始输出了。
    5)启动A／D，DSP的Gpio4为高后，等待1μs的时间，让FSX脚输出低电平，选通A／D转换器。
    这里等待1μs的原因是A／D的CS变低后，要检测FS的电平，而FS的信号就是SP的信号，当FC为高时，SP也同时为高，且保持1 μs的高电平的时间，如果不等待1μs的话，CS下降沿检测FS不为高，则认为A／D没有正确进入DSP模式，所以为了保证AD能正常进入DSP模式，等待1μs后，SP和FS都变为低电平，这时在检测FS的电平就能说明AD进入DSP模式了，而SP的占空比是1：7，也就是SP和FS在下一次变高时还有7μs的低电平时间，这个7 μs足以保证DSP正确锁定在DSP模式下。
    6)采集数据：选通A／D转换器后，在SP脉冲上升沿到来时开始数据采样与转换。一个像元的转换输出数据被McBSP接收完毕后，McBSP将发出一个接收中断到CPU，CPU响应此中断后将数据从McBSP的缓冲寄存器中读入存储器内存，然后退出中断，进行下一个点信号的接收。我们还需要设置一个计数变量，在每一次中断后对其进行加一操作，当计数变量的值达到2160时，撤销选通信号，这样一个完整的对CCD一行的输出信号的A／D转换完成。
    DSP的CPU或DMA控制器与Mcbsp的通信，是通过16 Bit的寄存器访问内部的外设总线来实现的。Mcbsp的数据接收寄存器有2个，DRR1和DRR 2，当字长小于16 Bit时使用DRR1。把Mcbsp要传输的串行字定义成为16 Bit(刚好是10 Bit A／D转换数据出的6个0+10 bit二进制数)，并自行定义Mcbsp传输数据的一帧就是16 Bit，也就是说CCD的一个SP就被转换成6个0+10 Bit的二进制数，这样对于Mcbsp的一帧来说，就CCD的一个SP。Mcbsp接收完一帧数据后，就触发中断，进行这一帧数据的存储，然后进行下一个SP像元点的采样转换与传输，直到所有的像元采集完毕。
    7)关闭A／D：把DSP的RSX原来的选通A／D的低电平变为高电平，以关闭A／D。

3 结束语
    文中以TMS320VC5509 DSP芯片和AD7322模数转换芯片为例，详细讨论了数据采集系统的关键硬件接口电路设计和采集过程。目前该数据采集系统已经安装在一维条码识别系统中，实践证明，该数据采集系统能够正确采集数据，达到了设计目的和应用要求。