ROFIBUS從站智能協(xié)議芯片DPC31與模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705接口設(shè)計(jì)

1、profibus從站智能協(xié)議芯片dpc31與ad7705接口設(shè)計(jì)interface design of profibus intelligent slave asic dpc31 and ad7705作者：徐秀杰 張永德（北京化工大學(xué)信息學(xué)院 北京 100029）摘要：profibus現(xiàn)場總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。為開發(fā)profibus-pa智能儀表，講述了dpc31的ssc接口和基于技術(shù)的16位a/d轉(zhuǎn)換芯片ad7705的原理，給出了一種用ad7705、dpc31實(shí)現(xiàn)的符合pa行規(guī)“模擬量輸入”功能塊的三線串行接口模型。關(guān)鍵字：低功耗 模數(shù)轉(zhuǎn)換 技術(shù)中圖分類號(hào)：tp2abstract:

2、profibus fieldbus systems have been applied in many areas. for developing intelligent profibus-pa instruments. this paper introduces the principle of ssc interface in dpc31 and the 16 bits adc ad7705 based on the technology of and provides a three lines serial interface model with ad7705 and dpc31 c

3、omplying with pa pro “analogue input” function block.key words: low-power analog-to-digital conversion technology of sigma-delta0. 引言如何將現(xiàn)實(shí)的模擬世界和電子的數(shù)字世界相連接起來是智能化儀器儀表的關(guān)鍵所在。ad轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，以便于數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。在profibus-pa總線系統(tǒng)中，由于其應(yīng)用環(huán)境的特殊性，對(duì)現(xiàn)場儀表所需器件也更為嚴(yán)格的要求。1. pa儀表profibus-pa總線系統(tǒng)將過程控制系統(tǒng)與現(xiàn)

4、場設(shè)備(如壓力、溫度和液位變送器等)連接起來，代替了4-20ma模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。它通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線向現(xiàn)場儀表供電，可在防爆區(qū)域中應(yīng)用。應(yīng)用于流程控制的pa儀表是fcs中的關(guān)鍵設(shè)備，有著很大的市場需求。pa行規(guī)支持不同制造商生產(chǎn)的pa現(xiàn)場設(shè)備的可互換性和可互操作性，采用國際公認(rèn)的功能塊模型來描述設(shè)備功能和參數(shù)。這些功能塊表示不同的用戶功能。例如符合pa行規(guī)的壓力變送器，它就是用“模擬量輸入”功能塊來描述的，如圖1所示。圖1.在profibus-pa行規(guī)中的參數(shù)圖例（壓力變送器）fig. 1: example diagram of profibus-pa pro(pressure transmitt

5、er)pa儀表多用于防爆場合，采用總線供電方式，整個(gè)儀表的功耗不得超過250mw，因此要求所選器件功耗盡可能降低。在對(duì)profibus協(xié)議的實(shí)現(xiàn)部分，可以采用西門子提供的profibus協(xié)議專用asics芯片。dpc31是一種用于dp或pa從站的智能通信協(xié)議芯片，其中集成了c31內(nèi)核，由于該芯片具有低功耗管理系統(tǒng)，因此特別適合用于本質(zhì)安全場合。另外，dpc31還集成了一個(gè)通用的同步串行（ssc）接口模塊，并有對(duì)應(yīng)控制寄存器，可直接與具有spi接口的a/d轉(zhuǎn)換器或e²prom相連。由于對(duì)低功耗的要求，傳統(tǒng)的a/d轉(zhuǎn)換器無法滿足要求。美國ad公司推出的ad7705適用于低頻測量儀器的ad

6、轉(zhuǎn)換器，它能直接將從傳感器接收到的很弱的輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，而無需外部儀表放大器。它具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗等特點(diǎn)，可以消除零點(diǎn)誤差、滿量程誤差及溫度漂移的影響，該器件適用于便攜式工業(yè)儀表，便攜式重量計(jì)和壓力傳感器。具有三線串行spi接口，是pa產(chǎn)品的理想選擇。2. dpc31的ssc接口模塊12.1專用寄存器在dpc31的ssc接口模塊中，包括六個(gè)專用寄存器單元，用戶可對(duì)其直接尋址。通過對(duì)這些寄存器的讀寫，實(shí)現(xiàn)與ad7705通訊及控制。（1）四個(gè)既可讀又可寫的寄存器：地址 0020h：spi接口的接收緩沖區(qū)。地址 0021h：spi

7、接口的狀態(tài)寄存器。包括接收緩沖區(qū)滿標(biāo)志、發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志及錯(cuò)誤信息等。地址 0022h：spi接口的控制寄存器1。接收發(fā)送的數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)鎖存控制及奇偶校驗(yàn)控制。地址地址 0023h：spi接口的控制寄存器2?？刂泼看蝹魉蛿?shù)據(jù)的位數(shù)。（2）兩個(gè)只寫寄存器：地址 0024h：spi接口的中斷使能寄存器。包括接收和發(fā)送中斷、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤中斷使及其它接收錯(cuò)誤中斷的使能。地址 0025h：spi接口的波特率寄存器。2.2 工作原理ssc模塊包括一個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)送通道，每個(gè)通道包括一個(gè)9位的移位寄存器和一個(gè)8位緩沖區(qū)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)送出即發(fā)送緩沖區(qū)為空，狀態(tài)寄存器中的位“transmit

8、 buffer empty”被激活置1，如果中斷使能寄存器中相應(yīng)的中斷使能被允許，就會(huì)激發(fā)dpc31的中斷寄存器中ssc接口中斷。當(dāng)用戶向發(fā)送緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，狀態(tài)寄存器中的位“transmit buffer empty”為0，等到發(fā)送移位寄存器空時(shí)，發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入，時(shí)鐘信號(hào)ssclk只有在移位過程中才會(huì)產(chǎn)生。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，收到的位數(shù)據(jù)流進(jìn)入接收移位寄存器，當(dāng)收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位時(shí)，送入接收緩沖區(qū)，狀態(tài)寄存器中的位“receive buffer full”被激活置1。如果中斷使能寄存器中相應(yīng)的中斷使能被允許，就會(huì)激發(fā)dpc31的中斷寄存器中ssc接口中斷。當(dāng)出現(xiàn)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、接收緩沖區(qū)溢

9、出或總線忙時(shí)，也會(huì)激活狀態(tài)寄存器中的相應(yīng)位，如果中斷使能位允許，產(chǎn)生ssc接口中斷。如果所有的中斷使能都不允許，也可通過循環(huán)查詢狀態(tài)寄存器中相應(yīng)位分別處理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。3. ad7705結(jié)構(gòu)及工作原理2 33.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)ad7705內(nèi)部包括多路模擬開關(guān)、模擬輸入緩沖器（pga）、可編程模擬放大器、-adc調(diào)制器、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓輸入、時(shí)鐘發(fā)生器以及串行接口電路等。其中串行接口包括一個(gè)寄存器組，它由通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器和滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等組成。另外還包括兩通道差分輸入。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2. ad7705內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖figure 2: t

10、he internal structure of ad77053.2 工作原理3.2.1模擬信號(hào)輸入各類傳感器輸出一般是毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，傳統(tǒng)的測量方法是在a/d轉(zhuǎn)換之前增加一級(jí)高精度的測量放大器，因而系統(tǒng)較為復(fù)雜。而ad7705具有內(nèi)部可編程模擬放大器（pga），可通過指令設(shè)定，對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此既可接受從傳感器送來的低電平輸入信號(hào)，亦可接受高電平（10v）信號(hào)，它利用-技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無誤碼性能。3.2.2與微處理器的數(shù)據(jù)傳送在ad7705的串行接口部分，包括6個(gè)用戶可通過串行口訪問的片內(nèi)寄存器。（1）第一個(gè)是通訊寄存器，它管理通道

11、選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作,以及下一次讀或?qū)懩囊粋€(gè)寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開始。上電或復(fù)位后，器件等待在通訊寄存器上進(jìn)行一次寫操作。（2）第二個(gè)寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單雙極性輸入以及緩沖模式。（3）第三個(gè)寄存器是時(shí)鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制位。（4）第四個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出。（5）第五個(gè)寄存器是零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，ad7705包含幾組獨(dú)立的零標(biāo)度寄存器，每個(gè)零標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀寫寄存器。（6）第六個(gè)寄存器是滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，ad7705包含幾組獨(dú)立的滿標(biāo)度寄存器，每個(gè)滿標(biāo)度寄存

12、器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀寫寄存器。4. 硬件設(shè)計(jì)ad7705采用三線串行口與dpc31的ssc接口連接，如圖3所示。對(duì)于ssc通道，di/do用于串行輸入輸出，clk時(shí)鐘信號(hào)上升沿鎖存輸入數(shù)據(jù)。為了連接多個(gè)具有spi接口的外圍器件（如e²prom, ad轉(zhuǎn)換器），每個(gè)spi器件需占用一個(gè)輸出端口線，連接/cs片選作為spi功能使能端。圖3：dpc31的spi接口figure 3: spi interface of dpc31ad7705除了晶振和微調(diào)電容以外，幾乎無需其他元件?；鶞?zhǔn)電壓由參考源ref192提供，可以獲得穩(wěn)定的3v基準(zhǔn)電壓，消除因激勵(lì)電壓變化引起的測量誤差。

13、ad7705工作電源有模擬電源(avdd)和數(shù)字電源(dvdd)之分，不需要特定的加電順序，可以先加avdd或dvdd電源。需要注意，在refin、ain和其他邏輯輸入引腳加入信號(hào)之前、應(yīng)給ad7705電源接通，以免發(fā)生閉鎖(latch-up)。印制電路板必須按規(guī)格設(shè)計(jì)，要確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面可以很容易地將它們分開。因?yàn)檫@樣能使屏蔽性能最好。agnd和dgnd應(yīng)當(dāng)一點(diǎn)連接，為星形接地點(diǎn)，盡量靠近ad7705的位置，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路。另外，應(yīng)將模擬地布置在器件的下面，而不要將數(shù)字地布置在下面，因?yàn)檫@樣會(huì)造成片內(nèi)噪聲成倍增加。地線和電源線盡可能粗些，

14、以便降低線路阻抗，同時(shí)減少電源供電的尖峰信號(hào)的影響。時(shí)鐘信號(hào)不能在模擬輸入信號(hào)附近通過，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間應(yīng)避免相互交叉。所有的模擬電源都應(yīng)去耦，可用10f并聯(lián)一個(gè)0.1f的陶瓷電容接gnd。4.編程要點(diǎn)：軟件設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面：(1) dpc31的ssc接口初始化：包括對(duì)dpc31中斷系統(tǒng)中ssc接口中斷屏蔽位的清除和對(duì)ssc模塊中控制寄存器、中斷使能寄存器和波特率寄存器的初始化。（2）ssc接口中斷的處理：從ssc接口的接收緩沖區(qū)中取出接收到的數(shù)據(jù)送到profibus輸入緩沖區(qū)。(3) ad7705寄存器進(jìn)行操作的時(shí)序：與ad7705通訊必須嚴(yán)格按照ad7705所規(guī)定的讀寫周期的時(shí)序

15、進(jìn)行操作。(4) ad7705的初始化和配置：ad7705的配置與設(shè)計(jì)的硬件緊密相關(guān)，只有在正確配置的情況下硬件才能正常工作。同時(shí)，對(duì)ad7705內(nèi)每一個(gè)寄存器的配置都必須從寫通信寄存器開始，用戶通過dpc31的ssc模塊中的發(fā)送緩沖區(qū)寫入通信寄存器，完成通道的選擇和設(shè)置下一次操作寄存器的選擇。設(shè)計(jì)中，ad7705的相應(yīng)參數(shù)取：輸出數(shù)據(jù)更新速率：50hz；系統(tǒng)增益：64；有效分辨率：15位。ad7705的編程功能是用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來控制。對(duì)這些寄存器的讀寫操作通過器件的串行接口來完成。其串行接口包含5個(gè)信號(hào)：cs、sckl、din、dout和drdy。din線用來向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而do

16、ut線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。sclk是串行時(shí)鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和sclk信號(hào)有關(guān)。drdy線作為狀態(tài)信號(hào)，以提示數(shù)據(jù)什么時(shí)候已準(zhǔn)備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時(shí)，drdy變?yōu)榈碗娖健s是片選信號(hào)，接低電平時(shí)器件被選中，能以三線接口模式運(yùn)行。通過對(duì)ad7705通過對(duì)片內(nèi)寄存器的編程，可以實(shí)現(xiàn)通道選擇、增益選擇、濾波頻率選擇、轉(zhuǎn)換周期選擇、自動(dòng)校準(zhǔn)和ad轉(zhuǎn)換等功能。對(duì)ad7705的任何一種操作，必須首先對(duì)通信寄存器寫入相應(yīng)代碼，然后才能對(duì)其他寄存器讀寫。5.結(jié)束語ad7705以其本身優(yōu)良特性且不需附加另外的器件而使得其在數(shù)據(jù)檢測領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。在有防爆要求的pa儀表中，它成為理想的選擇。利用其設(shè)計(jì)的pa壓力變送器的原理型樣機(jī)，性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果。6.參考文獻(xiàn)：1 dpc31-hard