實現了模擬通道同步采樣的數據采集系統

多輸入通道之間的相位誤差是數據采集系統的重要問題之一。采用六輸入通道模數轉換器件AD73360和數字信號處理器TMS320F2812設計了多通道數據采集系統，實現了兩者之間的接口電路和通信程序設計。該系統可用于多路輸入信號的同步采樣，實驗證明了系統的有效性。

多通道數據采集系統一般是在一塊印刷電路板上集成了模擬多路開關、程控放大器、采樣/保持器、A/D和D/A轉換器等器件，其原理框圖如圖1所示［1］。這類系統雖然可以采集多路模擬信號，但其實只有一路A/D轉換器，為了能夠采集多路模擬信號，只能利用模擬多路開關在多路模擬信號之間進行切換。這樣做的好處是可以減少硬件成本和縮小板卡的尺寸，但是當多個模擬信號巡回采樣時，各路信號之間必然存在采樣的時差。

本文利用AD73360、TMS320F2812設計了數據采集系統，包含6個以上可同時采樣的模擬通道，從而有效地減少了由于采樣時間不同而產生的相位誤差。

1 數據采集系統設計

本文設計的數據采集卡如圖2所示。A/D轉換器AD73360是一個包含6路模擬信號輸入通道的器件，每路通道均包含獨自的信號調理器、可編程放大器和16位的A/D轉換部分。這樣可實現對多路模擬信號的同時采樣，以減小采樣的相位差。數字信號處理器（DSP）采用TMS320F2812，實現對A/D轉換器AD73360的控制和讀取采樣數據，從而減少了邏輯控制電路。計算機接口電路采用RS232C和RS485標準串行口實現DSP與上位機之間的通信。

1.1 A/D轉換器AD73360

AD73360具有6路16位分辨率的同時采樣通道，減少了由于采樣時間不同而產生的相位誤差。各個通道的采樣速率可設為8kHz、16kHz、32kHz或64kHz，都有內置的抗混迭濾波器和程控可變增益放大器?？梢约壜撌褂?，最多可將8片級聯在一起。因此，模擬量輸入通道的最大數目可擴展到48路。

AD73360使用同步串行接口SPORT與CPU相連。SPORT接口信號線只有6條，不僅節約了印刷電路板的面積，而且也減小了電磁干擾。DSP基本都支持同步串行接口，所以AD73360與DSP組成的測控系統簡潔高效。

1.1.1 AD73360同步串行通信接口SPORT概述

AD73360同步串行通信接口SPORT包含6條信號線，分別是串行數據輸出端SDO、數據輸出幀同步端SDOFS、串行數據輸入端SDI、數據輸入幀同步端SDIFS、同步時鐘SCLK和串行接口使能端SE。該接口有三種工作方式：編程、數據以及混合方式。AD73360以“時分多址”的模式輸入和輸出數據。其特點是每一個通道的輸出數據占用固定的時間片，即使該通道被關閉，該時間片也不會被其他通道占用，此時數據輸出端SDO處于三態。圖3顯示了六個通道全部打開時數據輸出端SDO和數據輸出幀同步端SDOFS的時間波形，圖4則顯示了通道1、3、5打開時的輸出時間波形。AD73360每次上電或復位以后，自動進入編程狀態，每一個采樣周期輸出一個數據輸出幀同步信號SDOFS，如圖5所示。這樣DSP可利用此幀同步脈沖給AD73360寫入控制字。圖6為各管腳的信號時序圖［2］。

1.1.2 AD73360控制寄存器

AD73360有8個控制寄存器，每個都是8位，如表1所示。其中前兩個控制寄存器CRA和CRB用來配置同步串行接口SPORT，可以設置數據率、主時鐘速率以及級聯芯片數目等參數。如果多個AD73360級聯，則其CRA和CRB的設置必須完全一致。其余6個寄存器用來控制各個通道的A/D轉換器。

向這些控制寄存器寫入數據時，要遵循一定的格式?？刂谱值母袷饺绫?所示。其中各個部分的含義如下：

（1） ：該位為高時，表明這是一個有效控制字。

（2） ：讀寫控制。

（3） 芯片地址：芯片級聯時用于確定接收數據的芯片。當該地址為零時，表明當前芯片接收該控制字；若不為零，則芯片將該數減一，并將控制字從SPORT發送給下一個芯片。

（4） 寄存器地址：選擇要寫入數據的控制寄存器，見表1。

（5） 寄存器數據：寫入或讀出的數據。

由于單片AD73360具有六個同時采樣的模擬量輸入通道，所以特別適合于三相制電力運行參數測控（三個相電壓和三個相電流同時采樣）以及電機控制等應用系統。

1.2 數字信號處理器TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP

TMS320F2812是32位的定點DSP，主頻可達150MHz（時鐘周期6.67ns），是目前用于測控系統、電機控制等領域中的熱點產品。芯片資源非常豐富，可簡化外圍電路設計。串行通信模塊包括兩個SCI口和一個SPI口，CAN總線和多通道緩沖串口McBSP，能滿足多種串行通信模式的需要。本文利用TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP實現與AD73360的連接和數據傳輸。

TMS320F2812的McBSP有6條信號線。其中3條用于發送數據，分別是發送數據端MDXA、發送幀同步端MFSXA和發送時鐘MCLKXA。另外3條用于接收數據，分別是接收數據端MDRA、接收幀同步端MFSRA和接收時鐘MCLKRA［3］。

McBSP能與多種串行接口器件直接通信，工作方式靈活，但同時也造成端口配置復雜。McBSP具有38個寄存器，由此可見其復雜程度。這些寄存器可分成四大類：數據寄存器、控制寄存器、多通道寄存器和FIFO寄存器。要使McBSP正確工作，必須配置好這些寄存器，這就需要對McBSP的工作機制有深刻的理解。表3列出了部分寄存器，大部分屬于數據寄存器和控制寄存器，是在非FIFO和非多通道方式下需要用到的寄存器［4］。值得注意的是，PCR和MFFINT雖然分別屬于多通道和FIFO寄存器，但是在非FIFO和非多通道方式下依然要用到。

這些寄存器中每一位的詳細含義請參閱TMS320F2812技術手冊，其中一些重要參數將在下面提到。

2 系統實現

在圖2所示的系統框圖中，A/D轉換器AD73360將模擬輸入量轉換成數字量，TMS320F2812負責從AD73360讀取數字量并進行相應的計算，計算結果則通過RS232C和RS485標準串行口傳輸給上位機。在這個系統中，難點在于AD73360與TMS320F2812的接口設計。

2.1 AD73360與TMS320F2812的通信接口設計

AD73360具有一個同步串行通信接口SPORT與上位機通信，該接口可以很好地兼容現在大多數的DSP。本文利用TMS320F2812的多通道緩沖串口McBSP與AD73360進行通信。

2.1.1 AD73360與TMS320F2812之間的連接方式

根據對AD73360的同步串行通信接口SPORT的分析可知，在首次上電和復位后AD73360便進入編程狀態，自動產生輸出幀同步信號，該信號不受外部器件的影響。所以在AD73360與TMS320F2812的通信接口中，AD73360應為主設備，TMS320F2812應為從設備。主從關系確定以后，才可以確定信號線的連接方式和程序設計。

兩者之間的信號線連接方式如圖7所示，AD73360的輸出幀同步端SDOFS不僅連接到DSP的兩個幀同步端MFSRA和MFSXA，而且還連接到自己的輸入幀同步端SDIFS。其同步時鐘SCLK端也同時連到DSP的兩個時鐘端MCLKXA和MCLKRA。另外，DSP的兩個通用I/O端口GPIOA0、GPIOA1則連接到AD73360的復位端和串行接口使能端SE，實現對AD73360的控制。

2.1.2 DSP的McBSP配置

McBSP的配置應以AD73360的時序圖為依據。分析圖3～圖6，可以得出McBSP的一些重要參數如下：

（1） 發送幀同步MFSXA為高電平有效，FSXP=0。

（2） 接收幀同步MFSRA為高電平有效，FSRP=0。

（3） 幀同步均為輸入，FSRM= 0，FSXM=0。

（4） 發送時鐘MCLKXA和接收時鐘MCLKRA均為輸入，CLKXM=0，CLKRM=0。

（5） 數據輸出在發送時鐘的上升沿，CLKXP=0。

（6） 數據接收采樣在接收時鐘的下降沿，CLKRP=0。

（7） 單相幀，RPHASE=0，XPHASE=0。

（8） 每幀一個字，RFRLEN1=00b，XFRLEN1=00b。

（9） 每個字16位，RWDLEN1=010b，XWDLEN1=010b。

（10）數據延遲為1位，RDATDLY=01b，XDATDLY=01b。

確定了以上各個參數的值，才可以在程序中正確配置McBSP的各個寄存器。

2.1.3 DSP程序設計

DSP程序采用C語言編寫，在TI公司的集成開發環境CCS2.0下調試通過。程序流程如圖8所示，主要包括DSP端口（GPIO和McBSP）初始化、AD73360初始化（復位和輸出控制命令）、等待接收A/D轉換數據等步驟。

初始化GPIO主要是配置GPIOA0和GPIOA1，分別控制AD73360的復位端和串行接口使能端SE。初始化McBSP是按照上文所述的重要參數值配置各個寄存器，使McBSP的工作方式與AD73360吻合。各寄存器的具體值如下：

RCR2 = 0x0041；

RCR1 = 0x0040；

XCR2 = 0x0041；

XCR1 = 0x0040；

SRGR2 = 0x2000；

SRGR1 = 0x0101；

PCR = 0x0000；

MFFINT = 0x0004；

初始化AD73360的流程如圖9所示。TMS320F2812與AD73360接口系統設計中最關鍵的部分是AD73360的初始化。由于AD73360是主設備，TMS320F2812是從設備，所以幀同步信號由AD73360發出。TMS320F2812需要在每個幀同步信號到來之前準備好要發送的數據，要做到這一點，首先，在AD73360開始工作前將要發送的數據寫入發送寄存器DXR1中；然后，將AD_SE置為高電平，AD73360的SPORT開始工作。當幀同步信號到來后，DSP將數據發送給AD，同時接收數據。隨后及時將下一個數據寫入發送寄存器DXR1中。這樣在每一個幀同步信號到來時，DXR1中都有正確的數據以供發送。

AD7336初始化完成后，就自動采樣并輸出采樣數據。為了提高DSP程序的效率，應采用中斷方式接收測量數據。TMS320F2812的中斷系統通過外設中斷擴展PIE（Peripheral Interrupt Expansion）模塊來控制。PIE可以支持96個獨立中斷，并分成12組，每組8個中斷。通過切換開關，可以使每組中斷對應一個CPU內核中斷線，12組共需12根CPU內核中斷線（INT1～INT12）。McBSP的接收中斷MRINT位于第6組的第5位，中斷初始化程序不再贅述。

2.2 兩片AD73360級聯與TMS320F2812的接口設計

如果想要增加模擬通道的數目，可以將多片AD73360級聯起來。如圖10所示，兩片AD73360級聯起來可以獲得12個模擬通道。AD73360片1的SDI接DSP的MDXA，SDO、SDOFS分別接片2的SDI、SDIFS。AD73360片2的SDO接DSP的MDRA、SDOFS則接片1的SDIFS和DSP的MFSXA、MFSRA。數據的流程可以歸納為：（1）流出DSP方向：DSP→AD73360片1→AD73360片2；（2）流入DSP方向：AD73360片1→AD73360片2→DSP。

采樣數據的輸出時序如圖11所示，兩片AD73360交替輸出。

DSP程序的設計中，初始化GPIO和McBSP部分均與上文單片AD的情況比較類似，但是初始化AD73360部分不盡相同，如圖12所示。

兩片AD級聯時程序設計的關鍵在于控制字的輸出必須交替進行，即先輸出AD73360片2的一個控制字，再輸出片1的一個控制字，順序不可顛倒，直到所有的控制字發送完。根據DSP輸出數據的流程，其發出的控制字先到片1。片1接到片2的控制字時，驗證該控制字的芯片地址位不為0，將該地址位減1，在下一個幀同步信號到來時發給片2，而此時片1也接收到了自己的控制字。CRB和CRA控制AD芯片的工作模式和啟動，必須配置成一樣，并且同時到達各自的AD芯片。若不同時到達，則片1和片2不能同時啟動工作，接口設計失敗。

為了保證設計成功，充分利用DSP的McBSP具有雙緩沖的特點，提前將兩個控制字寫入DXR中，保證在任意時刻McBSP都至少有一個等待發送的數據，避免幀同步信號到來時McBSP沒有有效數據發送。這樣兩片AD可在相同時刻接到相應的控制字，并同時啟動。這在多片AD73360級聯工作時至關重要。

由于提前寫入了兩個控制字，所以最后要單獨讀一次數據，使最后一個控制字發送出去。至于程序其余部分與單片AD73360接口設計類似，不再敘述。兩片AD73360級聯與DSP的接口設計可以擴展成多片AD73360級聯的設計。

系統設計中需要注意的問題是模擬信號與數字信號的隔離。本文采用兩項措施實現隔離：（1）DSP和AD73360分別用不同的隔離電源供電；（2）DSP與AD73360之間的接口線路用光耦隔離。這樣可以取得比較好的隔離效果。

利用AD73360和TMS320F2812設計了多通道數據采集系統，實現了模擬通道的同步采樣，解決了多通道采樣的時差問題，滿足了系統的要求。本文設計的數據采集系統應用于三相制電力運行參數測控系統，實驗證明系統是完全可行的。