串行数模转换器TLC5620I与TMS320F2812接口设计

1 引言
    近年来，数字信号处理器(DSP)的应用越来越广泛，其中TMS320F2812作为目前数字控制领域中性能较高的DSP芯片，被广泛应用于电机控制、工业自动化、家用电器和消费电子等领域。由于TMS320F2812本身不具有D／A转换模块，因此在很多需要模拟量输出的控制场合受到限制。所以D／A转换芯片如何与TMS320F2812进行接口，成为数字信号处理系统需要解决的一个重要问题。这里介绍了四路8位电压输出数字一模拟转换器TLC5620I，并给出TLC5620I与TMS320F2812串口接口的软、硬件设计实现方法。

2 TMS320F2812的SPI工作原理
    TMS320F2812的SPI模块的9个寄存器用来控制SPI的操作，其中SPICCR设置SPI的软件复位、移位时钟极性字符长度；SPICTL设置SPI的时钟相位、工作模式等；SPISTS中包括溢出标志位、中断标志位等；SPIBRR设置SPI波特率；SPIRXBUF和SPITXBUF为数据接收和发送缓冲寄存器，SP-IDAT用于发送／接收移位寄存器；SPIRXEMU仅用于仿真；SPIPRI控制中断优先级。该器件的SPI接口有一个16级的FIFO，用来减少CPU的开销。图1为SPI模块与CPU接口结构框图。

    由图1可知，SPI模块数据传输由40、41、34、35引脚完成，其引脚功能见表1。

    TMS320F2812支持125种不同的波特率和4种不同的时钟模式。根据SPI的工作模式(从动或主控)，引脚SPICLK可分别接收一个外部的SPI时钟信号或由片内提供SPI时钟信号。
    在该设计中，SPI工作在主控模式，SPI时钟由片内的SPI产生并由SPICLK引脚输出。TMS320F2812波特率的设置是由系统的低速外设模块时钟频率LSPCLK和SPI主控制器中的SPIBRR寄存器的值决定的，其计算公式如下：
    SPI波特率=LSPCLK／(SPIBRR+1)SPIBRR=3～127
    SPI波特率=LSPCLK／4 SPIBRR=0、1、2
    引脚SPICLK上的四种不同的时钟模式是由时钟极性位和时钟相位位控制的，其中时钟极性位选择时钟有效沿为上升沿还是下降沿，时钟相位位则设定是否选择时钟的1/2周期延时。四种不同的时钟模式如表2所示。

[!--empirenews.page--]3 TLC5620I简介
    TLC5620I是四路8位电压输出数模转换器(DAC)，带有缓冲基准输入端(高阻抗)，包含上电复位功能以确保可重复启动，用5 V电源工作。DAC产生范围在基准电压一倍或两倍与地(GND)之间的输出电压，且DAC是单调变化的。TLC5620I使用4个电阻串(resistor-string)来实现D／A转换。每个D／A转换的核心是带有256个抽头的单电阻，分别对应256个可能的代码。每个电阻串的一端连接到GND端，另一端由基准输入缓冲器的输出馈电。通过使用电阻串保持单调性。线性度取决于电阻元件的一致性以及输出缓冲器的性能。由于输入端是经过缓冲的，所以DAC对于基准源总是呈现为高阻抗负载。每一个DAC的输出由可配置增益输出放大缓冲，它可以配置为一倍或两倍增益。
    通过简单的3线串行总线可数字控制TLC5620I，此总线与CMOS兼容且易于与所有常用的微处理器作为控制器器件接口。11位的命令字由8位数据(D0～D7)，2个DAC选择位(A0、A1)和1个范围位(RNG)组成。后者允许在一倍或两倍输出范围之间作选择。DAC寄存器是双缓冲的，允许完整的新数值组写入器件，然后DAC输出通过LDAC端的控制同时更新。每个通道输出的电压V0由下式计算：
    V0=REF×(CODE／256)×(1+RNG bit value)
式中，REF为相应通道基准电压，CODE是从数据位(D7～D0)计算出的十进制数，RNG是范围位串行控制字的0或1。

4 TLC5620I和TMS320F2812的接口电路
    图2为TLC5620I和TMS320F2812的接口电路。

    该设计中，引出4路D／A转换通道电压，均由LM358构成电压跟随器输出，如图3所示。该图为AD0和AD1口由LM358组成的同向放大电路。AD2和AD3的放大电路与之相同。

    TMS320F2812在引脚SPISIMO上将数据输出，与之相对应的是TLC5620I的DATA数据接收引脚：TMS320F2812的SPICLK引脚和TLC5620I的CLK引脚相对应，二者共用串行时钟；TMS320F2812的IOPB1模拟控制TLC5620I的LOAD引脚电平，以锁存数据，更新输出电压。在数据传输时，有两种方式控制TLC5620I输出电压的更新：LOAD引脚控制更新和LDAC引脚控制更新。该设计采用LOAD引脚控制更新方式，此时，LDAC引脚接低电平。开始控制LOAD为高电平，数据在CLK引脚的每一个下降沿与时钟同步从DATA引脚输入。当所有的数据传输完毕时，控制LDAD引脚跳至低电平，所选择的D／A通道的输出电压得到更新。由于TLC5620I的控制信号要求的VIH较高，所以需要将DSP输出的SPI-CLK、SPISIMO以及I／O口模拟的CS信号的高电平提高，该设计采用MM74HC08器件来实现。

[!--empirenews.page--]5 软件设计
    由于TLC5620I的工作频率是1 MHz，故将DSP的SPI通信频率也设置为1 MHz。程序采用C语言模块化编写，其流程如图4所示，图4a主程序完成系统初始化，中断使能，等待中断等工作；图4b中断服务程序主要完成输出电压的数字量计算和数据发送等工作。在编写程序过程中，要注意TMS320F2812的低速外设预分频和通信频率间的关系。

    利用该实验程序，可以通过示波器在DACOUT0和DA-COUT1接口输出端观测到三角波，利用万能表在DACOUT2接口输出端测得电压为2．475 V，在DACOUT3接口输出端测得电压为1．65 V。

6 结束语
    以TMS320F2812与TLC5620I为例，详细讨论两者的串口通信的硬件接口及软件设计，实现数字信号到模拟信号的转换，扩展TMS320TMS320F2812在控制领域的应用范围。在设计过程中，充分利用TMS320F2812的SPI模块，只有少量的数据线和控制线，使电路设计简化，提高了设计可靠性，并在实际应用中效果良好。