摘 要: 一種硬件代價極小、軟件控制簡單的title="DSP">DSP與A/D和D/A的接口設計方法。該方法采用DSP的程控能力協調A/D、D/A等各種模塊的工作,不需要總線隔離。該方法已成功地應用于汽車防撞雷達信號的采集與處理系統中。
關鍵詞: DSP A/D D/A 時序關系
MAX153 和MX7545 是美國MAXIM 公司近幾年推出的8位A/D轉換器和12位D/A 轉換器。MAX153具有高達1MSPS的采樣率,MX7545具有4MSPS的數/模轉換速度。它們集跟蹤/保持器于一體,因而由它們構成的數據采集和波形產生電路結構較為簡單。與其它同類產品相比,具有性能/價格比高的優點,故在高速數據采集、數字信號處理及可變增益放大器等動態性能要求比較高的系統中,用它們作為數據采集和波形產生器件或控制信號的產生器件十分理想。MAX153和MX7545可以很容易地與一般的微處理器接口,而不需要過多地考慮時序問題。然而,當它們同時與高速數字信號處理器(DSP)接口時,就需要從軟硬件的設計上仔細考慮時序問題和其它問題。下面先簡單介紹一下MAX153和MX7545 的工作模式,隨后以它們與TMS320C30數字信號處理器的接口為例,詳細介紹其接口的軟硬件設計方法。
1 MAX153的工作模式
根據MODE管腳上信號的不同,MAX153有兩種不同的工作模式。當MODE接地(0V)時,轉換器處于RD工作模式;當MODE接高電平(+5V)時,轉換器處于WR-RD工作模式。限于篇幅,下面將只介紹WR-RD工作模式。
從圖1可以看出,轉換器在
的下降沿開始啟動,當變高時,高4位的數據已轉換完畢且已送到輸出緩沖器,同時低4位數據開始轉換,380ns后
變低,表明低四位數據轉換也已完成。數據的讀取有兩種方式,這里僅介紹最快工作模式下的數據讀取方式。
圖1所示的是由外部信號控制的轉換時序圖。在這種讀取數據的模式中,
信號提前有效,可以獲得最快的轉換時間。一般在
的上升沿250ns后變為低,就可以完成轉換獲得數據。
在的下降沿變為低,之后,隨著或
的上升沿而變為高。
2 MX7545的工作模式
與一般的D/A轉換器一樣,MX7545也有電流和電壓兩種工作模式。其中,電流工作模式又分為單極性和雙極性兩種,這里只介紹單極性電流工作模式。不論是電流工作模式還是電壓工作模式,MX7545的工作時序是一樣的,如圖2所示。其中,MX7545在一個轉換周期內,片選信號有效時間tcs需要180ns,寫信號的有效時間tWR需要160ns。
3 硬件接口
根據汽車防撞雷達系統的要求,在發送三角波調頻信號的同時需采集雷達的回波信號。由于系統資源的限制,我們把A/D和D/A同時配置在TMS320C30的擴展總線上。TMS320C30是TI公司的通用DSP芯片,有很強的浮點/定點數據運算能力和很高的處理速度,特別適合于實時數據采集及運算處理(如FFT,FIR,IIR濾波等)。圖3是該接口的硬件連接圖。圖中,XA[8～10]為擴展總線的地址線中的3條,經過譯碼器(74LS138)譯碼后,其輸出Y1、Y2分別接到MX7545和MAX153的片選信號()端,分別作為他們的片選信號。RD/WR為TMS320C30擴展總線的讀寫控制信號,
為擴展總線的選通脈沖,XD[0～11]為擴展總線的數據總線。A/D和D/A的讀寫信號由DSP的擴展總線的讀寫信號和選通信號來決定,它們的關系可由下式表示:
當A/D工作時,Y2尋址選中MAX153。DSP的寫信號有效時,A/D轉換啟動;DSP的讀信號有效時, A/D輸出數據。當D/A工作時,Y1尋址使MX7545有效。DSP的寫信號有效時,D/A轉換啟動。MAX153工作于最快的轉換方式,口地址是804200;MX7545工作于通用的單極性電流工作模式,口地址是804100。從圖中可以看出,其硬件電路是較為簡單的。
4 時序的配合和程序的編制
下面將介紹D/A在通用電流工作模式下和A/D在最快工作模式下與TMS320C30 DSP接口的時序配合問題。
4.1 時序配合問題
從系統硬件電路的接法和工作時序上,可以分析“啟動轉換”和“讀取數據”的時序關系。一個假寫操作便可使A/D的/WR有效,即可啟動轉換。就DSP的擴展總線的信號線選通的端口而言,讀寫都需兩個時鐘周期。當DSP采用33.3MHz的時鐘時,每個時鐘周期H1為60ns(即主時鐘的二分頻)。從圖1可見,啟動轉換時間tWR的最小需要250ns,故需要插入總線等待周期。若插入4個等待周期,此時tWR為60×5=300ns,除去高速譯碼器的傳輸延遲17ns,實際WR的脈沖寬度遠大于MAX153所規定的tWR的最小脈寬250ns,因而啟動A/D轉換是可靠的。
由圖1可知,MAX153要求的轉換時間tRD須大于250ns,故這里需要加入300ns的延遲時間,此時讀取A/D轉換的數據也是可靠的。接著讀取并轉移A/D數據,然后向D/A送數據。從圖2可以看出,tCS至少需要180ns,tWR至少需要160ns,故設置4個總線等待周期也是完全可以滿足要求的。
4.2 匯編程序編寫
由于此電路用于汽車防撞雷達信號的采集和處理系統中,故此電路應完成的功能是:在發送雷達所需的三角波的同時采集雷達的回波信號,即二者須同時完成。具體程序如下:
SECT ″INIT″
.TEXT
BR INIT
INIT LDP 0,DP ;設置頁指針
LDI 1800H,ST ;禁止全局中斷
LDI @STCK,SP ;設置系統堆棧指針
LDI @CTRL,AR0 ;設置寄存器首址
LDI @PRIMARY,R0 ;主總線上存儲器處于0等待狀態
STI R0,*+AR0(100)
LDI @SECONDARY,R0 ;擴展總線等待4個總線周期
STI R0,*+AR0(96)
LDI @DADAT,AR0 ;設置存儲D/A數據的地址
LDI 0H,R0
LDI @STEP,R1 ;設置增加步長
LDI @LEH1,RC ;設置三角波上升沿的點數
RPTB LODUP ;裝載要發送的D/A上升沿數據
STI R0,*AR0++(1)
LODUP ADDI R1,R0
NOP
LDI @LEH1,RC ;設置三角波下降沿的點數
RPTB LODOW ;裝載要發送的D/A下降沿數據
STI R0,*AR0++(1)
LODOW SUBI R1,R0
LDI @DAPORT,AR0 ;設置D/A端口地址
LDI @ADPORT,AR1 ;設置A/D端口地址
LDI @ADDAT,AR4 ;假讀一次,復位A/D
LDI 0,R4
LDI @DADAT,AR3 ;賦D/A數據地址
LDI @LEH,RC ;設置循環次數
RPTB LOOP ;塊循環
STI R4,*AR1 ;假寫一次,啟動A/D轉換
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
LDI *AR1,R3 ;讀取A/D數據
STI R3,*AR4++(1) ;存儲A/D數據
LDI *AR3++(1),R0 ;轉移D/A數據
LOOP STI R0,*AR0 ;向D/A 送數據
BR PROSESS ;轉向后續信號處理程序
.DATA
CTRL .WORD 808000H ;控制寄存器首地址
PRIMARY .WORD 00000808H ;主總線控制字
SECONDARY .WORD 00000088H ;擴展總線控制字
STCK .WORD 0809F00H ;系統堆棧指針值
DAPORT .WORD 804100H ;D/A口地址
ADPORT .WORD 804200H ;A/D口地址
DADAT .WORD 10000H ;存放D/A數據的首地址
ADDAT .WORD 11000H ;存放A/D數據的首地址
LEH .WORD 0682H ;塊循環長度控制字
STEP .WORD 02H ;步長控制字
.END
根據程序,可以得到系統的時序,如圖4所示。
根據以上硬件和軟件的設計,由時序圖可以得到:
AD啟動轉換時間:60×5=300ns
等待A/D轉換時間:60×5=300ns
讀取A/D數據時間:60×5=300ns
存儲A/D數據和轉移D/A數據時間:60×7=420ns
發送D/A數據時間:60×5=300ns
發送D/A數據時間到啟動A/D下一個轉換所需時間:60ns
所以,總的轉換時間是:
Ts=300+300+300+420+300+60=1680ns
故其轉化頻率為:
Fs=1/Ts=1/1.68μs=595.2kHz
程序設計中需注意的問題有:
(1)在啟動A/D轉換前,應先假讀一次,使A/D復位,以避免不可靠的操作。
(2)TMS320C30的擴展總線應設置4個等待周期,以保證A/D和D/A與DSP 收發數據時序的配合。
(3)無論A/D還是D/A與DSP或MCU的接口電路的設計,最重要的是保證它們的時序正確。特別是當它們同時與DSP連接時,更應該從軟件方面仔細考慮它們的時序配合問題。
MAX153和MX7545不僅功能較強,而且能方便地與一般的微處理器接口,但在與DSP接口時要考慮一些特殊的問題。鑒于詳細介紹DSP同時與A/D和D/A轉換器接口方面的文章較少,故我們選擇其一接口方式加以介紹,對于其它模式的應用也可以參考本文介紹的方法。我們已將該設計成功地應用于基于DSP的汽車防撞雷達信號的處理系統中。
參考文獻
1 TMS320C30 User’s Guide. TI, 1994
2 MAXIM Data Sheets.MAXIM, 2000
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4 于繼洲. 集成A/D和D/A轉換器應用技術.北京:國防工業出版社,1992
5 童本敏.標準集成電路數據手冊.北京:電子工業出版社,1989