基于CPCI总线的智能A/D，D/A模块设计

0 引 言

在工业控制领域，为了实现采集和控制功能，经常会使用到A／D，D／A模块。在实际使用中A／D，D／A模块和主机之间通信方式可以有很多选择。比如RS 232，RS 422，网络等接口方式。在该设计中A／D，D／A模块通过CPCI总线与主机通信，通过A／D接口采集数据，经过伺服控制软件处理，输出模拟量驱动执行机构。

从而实现一个闭环的控制。另外通过对DSP软件的修改，该模块还可以单独实现A／D或者D／A功能。

该设计中A／D，D／A模块具备以下功能：

(1)提供2路16位A／D，输入信号范围±5 V，精度要求小于士16 LSB；

(2)提供2路16位D／A，输出信号范围±5 V，精度要求小于土8 LSB，受系统复位控制；

(3)使用TI公司DSP(TMS320VC33)作为板载处理器，该DSP主要实现管理A／D和D／A、运行控制算法、与主机通信功能，并受系统复位控制；

(4)DSP与主机采用双口RAM(IDT7133)实现数据交换功能。

1 设计原理

如图1硬件结构框图所示，该模块采用TI公司高性能CPU器件TMS320VC33为核心。模块通过PCI9052芯片与CPCI总线连接，PCI9052的本地总线的信号连接到双口RAM的一端。双口RAM的另一端通过电平缓冲器连接DSP。


DSP核心电路包括DSP芯片TMS320VC33、数据RAM CY7C1041VC33、程序FLASH芯片SST39VF800A组成；DSP的地址、数据、控制总线通过电平缓冲器件连接双口RAM、A／D芯片、D／A芯片、CPLD。DSP通过双口RAM芯片与主控计算机进行数据交换；A／D芯片的初始化以及读写操作也由DSP负责完成；DSP控制D／A芯片输出模拟信号；CPLD内部主要实现组合逻辑功能，将DSP输入的控制信号译码，然后输出给双口RAM以及A／D，D／A等功能芯片使用。

双口RAM芯片是实现智能板的重要组成，由于DSP与主控计算机的地址空间资源是分别进行独立分配的，无法直接进行互相访问，在两者之间需要一个数据缓冲，双口RAM的特点使其可以满足这个要求。

2 实现方法

2．1 主要原器件选择

在该设计中采用成熟技术，选用常用、可靠的控制芯片，结合一些常用的外围电路和专用电路实现全部的功能。即选择PC19052作为接口芯片，利用该芯片实现PCI总线从接口逻辑。

选择TMS320VC33作为板载处理芯片，该芯片是TI公司推出的专门用于实现浮点运算的高性能DSP，数据处理能力强，并且包含丰富的外围电路扩展接口。

为了实现模块上的电平转换功能，选择应用比较广泛SN74ALVC164245DL作为电平转换缓冲芯片。

2．2 PCI9052与双口RAM硬件接口实现

如图2所示PCI9052与双口RAM连接的本地总线信号包括地址、数据、控制信号3个部分。地址总线宽度为12位，数据总线宽度为16位，因此寻址空间为2 KB的16 b地址空间。控制信号包括读写控制信号和外设准备完成信号，当双口RAM将外设准备完成信号拉低后，主机就可以通过输出读写控制信号对双口RAM进行读写的操作。

2．3 DSP设计核心电路设计

DSP是整个设计核心，DSP核心电路由DSP芯片、FLASH和RAM三个部分组成。DSP通过双口RAM与处理计算机交换数据。

如图3所示，DSP核心电路设计如下所述。DSP的电源包括核心工作电压1．8 V与I／O电压3．3 V两种，分别由板上电源模块提供。时钟信号由外接晶振提供。复位信号由CPLD提供，由于DSP的I／O电压为3．3 V，在与I／O电平标准为+5 V的信号连接时需要进行3．3～5 V之间的电平转换。中断信号同样通过电平转换器件连接到CPLD。地址和数据总线根据实际设计的需要连接功能器件。JTAG接口连接到模块的一个标准的双列14脚直插连接器上。Page0～3信号通过电平转换器件连接到CPLD。


2．4 电源设计

系统电源包括+5 V．3．3 V，1．8 V，+15 V，-15 V。

DSP芯片核心电压为1．8 V，I／O电压为3．3 V，所以需要该板提供3．3 V和1．8 V两个电压源。D／A芯片需要提供+15 V，-15 V两种电源。+5 V电源是由系统提供，其他的电源均由+5 V电源转换获得。

对于线性稳压来说，其特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入／输出压差可以很大，但其致命弱点就是效率低，功耗高。DC-DC电路的特点是效率高，升降压灵活，缺点是干扰和纹波较大。

对比凌特公司、国家半导体公司、德州仪器公司等的同类型电压转换芯片，选取德州仪器公司的TPS73HD318模块作为3．3 V和1．8 V电压转换芯片。选用RECOM公：REC3-0515DRW完成+5 V和+15 V，-15 V之间电压转换。他们具有90％以上的转换效率、简单的外围电路、更小的封装、2．5％以下的纹波电压等特点。

2．5 复位设计

如图4所示，复位的输入包括两个部分：MAX1232输出的RESETA和电源芯片TPS73HD318输出的RESETB。MAX1232的输入为手动复位信号输入和看门狗喂狗信号输入。手动复位信号来自复位按钮，喂狗信号来自CPLD。复位输出2个信号分别给DSP，D／A使用。

2．6 电平转换设计

由于DSP的接口电平为3．3 V，CPLD和PC19052接口电平为5 V，为了将两部分兼容起来，需要使用电平转换缓冲芯片。如图5所示该器件有两个供电电源、两个方向控制端、两个使能端。通过连接不同的电压源可以为器件的信号引脚提供不同的电平。


2．7 A／D，D／A设计

A／D和D／A芯片通过电平缓冲期间与DSP的地址数据总线连接，由DSP芯片负责A／D和D／A的初始化以及读写控制。

3 CPLD逻辑设计

CPLD片内逻辑实现描述框图见图6。在CPLD内部主要实现了三个的功能，与DSP总线的逻辑接口、内部的寄存器、控制逻辑。


与DSP总线的接口逻辑实现与DSP逻辑接口，使DSP对CPLD的内部寄存器可以进行访问。状态寄存器为只读寄存器，用来读取中断状态、与双口RAM进行通信的标志位等信息；控制寄存器为只写寄存器，用来控制中断屏蔽、修改通信的标志位。组合逻辑主要用来进行地址译码、读写译码。

4 DSP软件设计

DSP软件开发主要是在TI提供的集成开发环境CCS下，充分利用实时操作系统DSP／BIOS的强大功能，结合自己特定的处理算法．快速构筑一个满足需求的高效率的软件系统。在设计中，对DSP的初始化是必须的，该设计主要应用于实时控制系统中，其电路的主要功能是用于采集、运算、输出。程序流程图如图7所示，上电后存储在FLASH内的程序开始运行，DSP开始依次初始化RAM存储器、CPLD内部寄存器、A／D寄存器、D／A寄存器。初始化完成后开始读取A／D输入，由于A／D转换速度比读取的速度慢，在读取过程中需要查询A／D转换状态，等待A／D芯片输出转换完成信号。将读取的数据写入双口RAM的指定位置，并刷新双口RAM和CPLD内部的标志位，通知主机读取数据。对A／D数据进行运算，根据运算结果控制D／A输出，等待查询D／A转换完成之后，程序再次跳转至读取A／D。


5 结 语

将该设计用于某一伺服控制系统，实现了系统功能，同时对系统的稳定性和可靠性给予了足够的关注。经长时间考核，本系统运行稳定可靠。


发布者：博子