3933.TMS320VC5402芯片AD和DA轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計(jì)VIP

1、摘要在由dsp芯片組成的信號處理系統(tǒng)中，a/d和d/a轉(zhuǎn)換器是非常重要的器件。輸入信號可以是各種各樣的形式，可以是語音信號或來自電話線的已調(diào)制數(shù)字信號，也可以是各種傳感器輸出的模擬信號。這些輸入信號首先經(jīng)過放大和濾波，然后進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換將模擬信號變換成數(shù)字信號，再由dsp芯片對數(shù)字信號進(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘加-累加運(yùn)算。經(jīng)過處理后的數(shù)字信號由d/a轉(zhuǎn)換器變換成模擬信號，之后再進(jìn)行平滑濾波，得到連續(xù)的模擬波形。綜上可知信號處理過程a/d和d/a轉(zhuǎn)換器的作用。該文主要介紹常用的a/d、d/a轉(zhuǎn)換器的使用原理，與dsp芯片的接口電路，以及關(guān)于a/d、d/a轉(zhuǎn)換器的dsp編程。關(guān)鍵詞：t

2、ms320vc5402 tlc320ad50c ccs5000目錄摘要i1設(shè)計(jì)概述12 芯片tlc320ad50c的詳細(xì)介紹32.1 tlc320ad50c概述32.2 tlc320ad50c特點(diǎn)32.3 tlc320ad50c引腳及功能框圖介紹53 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)73.1 tms320vc5402系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)73.2 tlc320ad50c與dsp的引腳連接方式94 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)114.1 ad50的控制時序124.2 程序流程圖144.3 部分程序代碼145 心得體會17參考文獻(xiàn)181設(shè)計(jì)概述通常，一個典型的dsp系統(tǒng)應(yīng)包括抗混疊濾波、數(shù)據(jù)采集a/d轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器dsp、d/a轉(zhuǎn)換器

3、和低通濾波器等，其組成框圖如圖1.1所示。在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，為了應(yīng)用dsp卓越的數(shù)字信號處理能力，我們必須先將模擬信號進(jìn)行數(shù)字化（a/d轉(zhuǎn)換），再對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，最后經(jīng)過數(shù)字信號模擬化（d/a轉(zhuǎn)換）后輸出。在這些dsp應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題是怎樣十分容易和高效地實(shí)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換，因此必然涉及到接口電路的設(shè)計(jì)。本文介紹一種單片內(nèi)集成了adc通道和dac通道的模擬接口電路tlc320ad50c（以下簡稱ad50）與tms320vc5402緩沖串口的接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，然后，基于這種接口電路的硬件設(shè)計(jì)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)信號的采集與回放。 圖1.1 典型的dsp數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框圖tms320vc

4、5402是ti公司生產(chǎn)的從屬于tms320c54x系列的一個工作靈活、高速、具有較高性價比、低功耗的16位定點(diǎn)通用dsp芯片。其主要特點(diǎn)包括：采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，1條程序總線（pb），3條數(shù)據(jù)總線（cb、db、eb）和4條地址總線（pab，cab，dab，eab），帶有專用硬件邏輯cpu，片內(nèi)存儲器，片內(nèi)外圍專用的指令集，專用的匯編語言工具等。tms320vc5402含4k字節(jié)的片內(nèi)rom和16k字節(jié)的雙存取ram，1個hpi（host port interface）接口，2個多通道緩沖單口mcbsp（multi-channel buffered serial port），單周期指令執(zhí)行時間1

5、0ns，雙電源（1.8v和3.3v）供電，帶有符合ieee1149.1標(biāo)準(zhǔn)的jtag邊界掃描仿真邏輯。 ad50是ti公司生產(chǎn)的一個16位、音頻范圍（采樣頻率為2k22.05khz）、內(nèi)含抗混疊濾波器和重構(gòu)濾波器的模擬接口芯片，它有一個能與許多dsp芯片相連的同步串行通信接口。ad50c片內(nèi)還包括一個定時器（調(diào)整采樣率和幀同步延時）和控制器（調(diào)整編程放大增益，鎖相環(huán)pll，主從模式）。ad50有28腳的塑料sop封裝（帶dw后綴）和48腳的塑料扁平封裝（帶pt后綴），體積較小，適應(yīng)于便攜設(shè)備。ad50的工作溫度范圍是070，單一5v電源供電或5v和3.3v聯(lián)合供電，工作時的最大功耗為120 m

6、w。dsp（數(shù)字信號處理器）具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，在其應(yīng)用系統(tǒng)中，大多由adc和dac通道來完成對模擬信號的數(shù)字化處理。設(shè)計(jì)了基于一種集成adc和dac于一體的tlc320ad50c模擬接口電路與tms320vc5402定點(diǎn)dsp接口電路的硬件設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合硬件電路實(shí)現(xiàn)主從模式下軟件的設(shè)計(jì)。2 芯片tlc320ad50c的詳細(xì)介紹2.1 tlc320ad50c概述tlc320ad50c使用過采樣的-技術(shù)提供從數(shù)字至模擬 （d/a）和模擬至數(shù)字（a/d）的高分辨率低速信號轉(zhuǎn)換。該器件包括兩個串行的同步轉(zhuǎn)換通道 （用于各自的數(shù)據(jù)方向）；在dac之前有一個插入濾波器（interpolatio

7、n filter）和adc之后有一個抽取濾波器（decimation filter）。其它的高級功能有片內(nèi)時序和控制。-結(jié)構(gòu)在低系統(tǒng)速度和低價格下產(chǎn)生高分辨率的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換。該器件的選項(xiàng)和電路結(jié)構(gòu)可通過串行接口進(jìn)行編程。其選項(xiàng)包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、串行時鐘率、信號采樣率、增益控制及測試方式等 。tlc320ad50c 的工作溫度范圍從0 70 。2.2 tlc320ad50c特點(diǎn)l 單5v 電源供電或5v 模擬、3v 數(shù)字電源l 工作方式時功耗 （pd ）100mw（最大）l 硬件掉電方式時功耗2.5mwl 通用 16 位信號處理l 2 的補(bǔ)碼數(shù)據(jù)格式l 動態(tài)范圍91db（典型）l a

8、dc 總的信號/（噪聲+失真）88db（最?。﹍ dac 總的信號/（噪聲+失真）85db（最?。﹍ 全部器件為差分結(jié)構(gòu)l 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（vref）l adc為64倍過采樣，而dac為256倍過采樣（內(nèi)部）l 串行接口l 當(dāng)二次通信（secondary communication）時alt data端提供數(shù)據(jù)監(jiān)視l 系統(tǒng)測試方式，數(shù)字反饋（loopback）測試和模擬反饋測試l 支持各種v.34 采樣速率l 支持商業(yè)級音響應(yīng)用l 多種轉(zhuǎn)換速率可選，如mclk/（128n）或mclk（512n）l 可以配置成主機(jī)或從機(jī)方式l 可以支持三個從機(jī)器件l 輸入和輸出增益控制一下是一些定義和術(shù)語的解釋。

9、data transfer interval（數(shù)據(jù)傳送時間間隔），時間間隔是指在此時間內(nèi)數(shù)據(jù)從dout 傳出和向din 傳入。此間隔為 16 個移位時鐘，數(shù)據(jù)傳送由幀同步信號的下降沿啟動。signal data（信號數(shù)據(jù)），信號數(shù)據(jù)包括輸入信號通過adc 通道轉(zhuǎn)換的結(jié)果以及通過dac 通道至模擬輸出的返回（數(shù)據(jù)）。這與純數(shù)字軟件控制的數(shù)據(jù)相反。primary communications（首次通信），首次通信是指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送時間。因?yàn)槠骷峭降?，所以信號?shù)據(jù)來自adc 通道和送至dac 通道是同時發(fā)生的。 secondary communications（二次通信），二次通信是指送入 din

10、 的數(shù)字控制和配置數(shù)據(jù)傳送時間，以及從 dout 寄存器讀出數(shù)據(jù)的時間。只有當(dāng)硬件或軟件要求時才產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送時間。 frame sync（幀同步），幀同步就是指啟動數(shù)據(jù)傳送時間間隔的信號的下降沿。首次幀同步啟動首次通信，二次幀同步啟動二次通信。 frame sync and sampling period（幀同步和采樣周期），連續(xù)的兩個首次幀同步信號下降沿之間的時間。frame sync interval（幀同步時間間隔），16 個移位時鐘所占據(jù)的時間間隔。在幀同步信號的下降沿之后，幀同步信號在 sclk 的第 16 個上升沿時變?yōu)楦唠娖健?adc channel（adc 通道），從模擬輸入到

11、dout 端數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的全部信號處理電路。dac channel（dac 通道），在加至din 端的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)字與outp 和outm 端可用的差分輸出模擬信號之間的所有信號處理電路。2.3 tlc320ad50c引腳及功能框圖介紹dw和pt封裝的ad50的引腳排列（頂視）如圖2.2和2.3所示。圖2.2 dw封裝的tlc320ad50c 的引腳排列圖圖2.2 pt封裝的tlc320ad50c 的引腳排列圖tlc320ad50c 的功能方框如圖2.1所示。圖2.1 tlc320ad50c 功能框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 tms320vc5402系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)一個完整的dsp系統(tǒng)通常是由dsp

12、芯片和其他相應(yīng)的外圍器件構(gòu)成。下面以tms320vc5402芯片為系統(tǒng)核心，設(shè)計(jì)dsp硬件系統(tǒng)的電路，包括時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路、功能配置引腳連接以及程序存儲空間擴(kuò)展和數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展電路。時鐘電路用來為tms320vc5402芯片提供時鐘電路，由一個內(nèi)部振蕩器和一個鎖相環(huán)pll組成，可通過晶振驅(qū)動。另外外部中斷均上拉高電平，并在個電源接口加去耦電容。電路原理圖如圖3.1、圖3.2、圖3.3和圖3.4所示。圖3.1 tms320vc5402芯片及時鐘電路圖3.2 功能配置引腳連接電路圖3.3 電源電路和復(fù)位電路tms320vc5402的程序存儲空間擴(kuò)展ram選用is61lv6416，程序存儲

13、空間擴(kuò)展flash選用at29lv1024，數(shù)據(jù)存儲空間擴(kuò)展ram選用is61lv6416?？紤]到上電及復(fù)位時，引導(dǎo)的執(zhí)行以及用戶程序要存放到讀取速度較快的外部程存ram中，所以要設(shè)計(jì)程存空間和數(shù)存空間在轉(zhuǎn)換的邏輯電路，即用dsp的xf外部標(biāo)志輸出引腳和非門74hc32來實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)期間數(shù)據(jù)總線、地址總線在程存空間和數(shù)存空間的切換，具體電路如圖3.4所示。圖3.4 存儲空間擴(kuò)展電路3.2 tlc320ad50c與dsp的引腳連接方式硬件連接采用ad50c為主控模式（=1），向c5402 的mcbsp0 （從設(shè)備）提供sclk（數(shù)據(jù)移位時鐘）和fs（幀同步脈沖幀同步脈沖），并控制數(shù)據(jù)的傳輸過程并控制

14、數(shù)據(jù)的傳輸過程。 tms320c5402工作于spi方式的從機(jī)模式，clkx0和fsx0為輸入引腳，在接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)時都是利用外界時鐘和移位脈沖。c5402與tlc320ad50c的硬件連接如圖3.5所示。圖3.5 ad50c與dsp連接方式4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一旦完成了正確的硬件連接，接下來就可以進(jìn)行軟件編程調(diào)試了。要完成的工作包括： （1）tms320vc5402串口的初始化。首先將dsp串口1復(fù)位，再對串口1的16個寄存器進(jìn)行編程，使dsp串口工作在以下狀態(tài)：以spi模式運(yùn)行，每幀一段，每段一個字，每字16位，采樣率發(fā)生器由dsp內(nèi)部產(chǎn)生，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘柡鸵莆粫r鐘信

15、號由外部產(chǎn)生。dsp給ad50c編程用查詢方式，接收a/d轉(zhuǎn)換的d信號和發(fā)送d/a轉(zhuǎn)換的d信號用dma方式。（2）ad50初始化。該初始化操作過程包括通過tms320vc5402的同步串口發(fā)送兩串16位數(shù)字信息到ad50。第一串為0000 0000 0000 0001b，最低有效位(bits0)說明下一個要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字屬于二次通信。第二個數(shù)據(jù)值用來對ad50的4個數(shù)據(jù)寄存器的某一個進(jìn)行配置。bits1511位為0，bits108位為所選寄存器地址值，bits70位為所選中寄存器的編程值。4個用戶可編程寄存器的描述如下：r1中包含模擬輸入通道選擇，硬件、軟件編程方式選擇；r2進(jìn)行單機(jī)、從機(jī)工作和

16、電話模式（電話模式內(nèi)容請參閱參考文獻(xiàn)3）選擇；r3控制帶從機(jī)個數(shù)選擇；r4用來設(shè)置模擬信號可編程放大增益和a/d、d/a轉(zhuǎn)換頻率。其它兩個寄存器r5、r6是廠家留著測試用的，用戶不可以對其編程。我們在以下例程中對4個可編程寄存器編程，使ad50c工作在以下狀態(tài)：選擇inp/inm為工作模擬輸入，15+1位adc和15+1位dac模式，不帶從機(jī)，采樣頻率為10.67khz，模擬信號輸入和輸出放大增益均為0db。（3）用戶代碼的編寫。完成音頻信號采集與回放代碼的編制。本設(shè)計(jì)給ad50編程用查詢方式，接收a/d轉(zhuǎn)換的d信號和發(fā)送d/a轉(zhuǎn)換的d信號用dma方式。4.1 ad50的控制時序ad50c的a

17、dc通道主通信時序圖如圖4.1所示。圖4.1 adc通道主通信時序圖ad50c的adc通道主通信和次通信時序圖如圖4.2所示。圖4.2 adc通道主通信和次通信時序圖ad50c的dac信號通道主通信和次通信時序圖如圖4.3所示。圖4.3 dac信號通道主通信和次通信時序圖控制寄存器1位功能表如圖4.5所示。另外還有控制寄存器2、3、4的功能表，此處不再一一敘述，他們的映象表如圖4.6所示。圖4.6 控制寄存器的映象表4.2 程序流程圖dsp串行口1初始化dsp中斷 控制 設(shè)置復(fù)位 ad 50c給寄存器2編程開始接受a/d轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)給寄存器4編程給寄存器3編程給寄存器1編程開始結(jié)束圖4.5 系統(tǒng)程

18、序流程圖4.3 部分程序代碼tms320vc5402中斷及串口初始化部分程序如下所示。stm#0002h,48hstm#0040h,49h；設(shè)置串口1工作在每幀一個字每個字16位模式stm#0006h,48hstm#0100h,49h；設(shè)置clkgdv=0，使串口1工作在最大頻率stm#0007h,48hstm#0a000h,49h；設(shè)置clksm=1采樣率發(fā)生器時鐘由dsp內(nèi)部產(chǎn)生stm#000eh，48hstm#0008h，49h；設(shè)置fsxp=1，使幀同步脈沖低電平有效stm#0080h，imr；dma一通道中斷使能rsbx intm；開放所有可屏蔽中斷 ad50初始化的部分程序如下所示

19、。ld#0001h，a；d0=1，請求第二次交流stlma，43h；向tlc320ad50c寫數(shù)據(jù)aa：stm#0001h，48hldm49h，aand#0002h，abcaa，aeq；數(shù)據(jù)是否被tlc320ad50c接收ld#0180h，a；給tlc320ad50c的寄存器1編程，使其復(fù)位stlma，43hbb：stm#0001h，48hldm49h，aand#0002h，abcbb，aeq；編程數(shù)據(jù)是否被tlc320ad50c接收stm#0100h，a； ad50c脫離復(fù)位設(shè)置寄存器1使inp、inm為輸入stm#0200h，a；設(shè)置tlc320ad50c寄存器2，使電話模式無效stm#0460h，a；設(shè)置tlc320ad50c寄存器4，使采樣頻率為10.667khzstm#0300h，a；設(shè)置tlc320ad50c寄存器3，使帶0個從機(jī)dma1通道初始化的部分程序如下所示。stm#05h，55h；選擇dma1通道stm#0041h，56h；設(shè)置串口1接收端為dma事件的源地址stm#0