基于DSP的高速AD采集系统设计与实现

摘要：在某综合控制计算机系统中为了实现对多路AD信号实时高精度采集，采用了以TMS320C6713B为核心，与AD7656芯片相组合的高精度、实时A/D数据采集砹计实现方案。重点分析硬件接口电路的设计、PCB设计中应注意的问题和软件设计实现流程。通过系统联试等多方验证，该设计方案实时性强，精度高，满足某综合控制计算机系统的性能指标要求。

关键词：TMS320C6713B;AD7656;接口电路

0 引言

为实现对某综合控制计算机对整个综合控制系统工作状态的实时状态监控以及故障检测，在设计中考虑到综合控制系统对监测信号精度和实时性要求较高，模拟量采集模块设计中采用了AD7656作为模/数转换芯片，该芯片支持6路通道，可同步进行模数转换，A/D转换输出可达到16位。数据处理和控制采用TI公司的TMS320C6000系列的高速32位浮点DSP芯片TMS320C6713B，该芯片通过EMIF总线接口实现对AD7656访问。

1 芯片介绍

1.1 TMS320C6713B主要特点

TMS320C6713是美国德州仪器公司(TI)推出的一款浮点32位DSP芯片，基于高性能、先进的VelociTI超长指令字体系结构，该芯片的内部结构包括如下特点：

(1)处理速度快，工作主频最高可达到200MHz，峰值运算能力为1800MIPS/1350MFLOPS450MMACS;

(2)具有8个功能单元的高级VLIW体系结构CPU，集成2个乘法器和6个ALU，指令打包减少代码数量;

(3)集成了32×32比特的乘法器，其结果可为32bit;

(4)片内存储器采用两级高速缓存结构，包括4KB的第一级高速程序缓存器(L1P)、4KB第一级高速数据缓存(L1D)，第二级共256KB内存储容量(64KB的L2统一缓存/映射RAM，192KB的附加L2RAM);

(5)32位外部存储器接口(EMIF总线接口)，无缝接口到SRAM、EPROM、FLASH、SBSRAM和SDRAM。

1.2 AD7656模数转换器

1.2.1 AD7656特点

AD7656是美国模拟器件公司(ADI)公司推出的一款采用iCMOS工艺制造的高集成度、6通道16位SAR型ADC，该器件具有4LSB(INL)，每通道达250kSPS的采样速率，内置一个2.5V内部基准电压源和基准缓冲器。该芯片功耗仅为160mW。AD7656特点如下：1)供电电源电压：5V，±15V;2)可通过配置选择模拟量输入电压范围-10V～10V或-5V～5V;3)片内集成2.5V基准电压源和基准缓冲器;4)通道可同步采样，采样速率可达250kSPS;5)支持并行和高速串行接口访问。

1.2.2 AD7656的原理及结构

AD7656的内部结构见图1所示，AD7656内置时钟电路，外部模拟量信号从VI引脚输入，经过一个高带宽的线性跟随器(T/H)单元进行采样，保证满量程的输入正弦波时转换精度达到16位。AD7656处理的最高频率为8MHz;经过AD7656中心单元16位SAR转换，将模拟信号转换为数字信号，通过控制逻辑单元，将数字信号输出驱动。

AD7656的模拟信号输入采取了单端输入方式，输入信号的电平范围为两种±10V和±5V，可通过两种方式选择输入信号电平范围，硬件上通过RANGE管脚设置，软件上通过配置控制寄存器的RNGX位来选择。

AD7656的转换后输出的数据格式见图2所示，分辨率与输入信号的范围设置有关，具体分辨率值见表1所示。

2 模拟转换电路设计

2.1 AD7656前端调理电路

由于在综合控制计算机采集的信号源与AD7656要求的输入信号不匹配，所以对信号源的信号进行前端调理电路调整，在AD7656前端调理电路设计主要考虑了如下因素：

(1)阻抗匹配。由于输入信号的信号源不一定是低阻抗，AD7656的输入端很可能会对信号源信号分压，从而影响采集转换信号的精度。在AD7656前级输入采用运算放大缓冲器解决该问题，因为运算放大缓冲器具有很高的输入阻抗，因此不会对信号源分压，同时它的低输出阻抗适合驱动AD7656的输入端;

(2)减小容性负载的影响。AD7656输入端具有容性负载特性，通常需要一个电阻和电容组成外部补偿电路，采用该电路给信号源增加了容性负载。

AD7656前端调理电路设计见图3所示。AD7656前端调理电路采用的运算放大缓冲器为ADI公司的OP177FS，其具有低输入失调电压(25μV)，失调电压时间漂移最大0.1 μV/℃，开环增益最小12V/μV，电源电流2.0mA。

2.2 AD7656与TMS320C6713B接口电路设计

AD7656与TMS320C6713B接口电路采取并行接口设计。在电路设计时将AD7656的“SER/PAR”管脚设置为并行接口方式，“W/B”管脚设置为字方式，“H/S SEL”管脚设置为硬件启动转换方式。TMS320C6713B通过外部存储器接口(EMIF)总线实现对AD7656访问，启动对AD7656转换，读取转换结果数据，接口电路结构图见图4所示。

TMS320C6713B通过CPLD实现对AD7656控制逻辑译码，来满足AD7656的访问时信号的逻辑要求，AD7656访问时序图见图5所示。

AD7656包括6通道ADC转换，可实现6通道ADC同步转换，减少了多路ADC转换采样时间。在CPLD逻辑设计中采用同时控制“CONVSTA”

“CONVSTB”“CONVSTC”管脚输出有效完成6通道ADC通道同步转换。

根据图5所示AD76565通过“CONVSTA，B，C”信号的上升沿启动ADC转换，ADC转换过程中，“BUSY”信号为逻辑“高”标识，ADC正在转换过程中，ADC转换时钟由内部时钟产生，从“CONVSTA，B，C”信号的上升沿启动转换3 μs后ADC转换结束，“BUSY”信号为逻辑“低”表示ADC转换结束。TMS320C6713B通过EMIF总线接口完成对转换结果的读取。对AD7656芯片转换结果读取，通过“CS”片选信号和“RD”读信号控制，6个通道转换结束后，TMS320C6713B控制“CS”为有效和6个“RD”读有效信号，完成对模拟量输入“V1”信号、“V2”信号、“V3”信号、“V4”信号、“V5”信号、“V6”信号转换结果的读取。

2.3 AD7656设计中应注意问题

2.3.1 电压基准电路设计

由于AD7656转换的精度与参考电压基准电压的精度有很大关系，参考电压基准输出电压值用来确定数据转换系统的满量程输入范围，同时参考电压基准电压的任何误差都会严重影响ADC的线性和无杂散动态范围。

由于AD7656内部集成的电压基准参数精度低，一般在对于分辨率大于12位的ADC应用中采用高精密外部电压基准，本设计采用高精密外部电压基准AD780BR作为AD7656转换的电压基准。通过表2对两种电压基准参数比较，看出外部高精密电压基准精度高，具有更低的温度系数、热迟滞和长期漂移。

3 PCB设计

3.1 数模区域分割

在高速AD采集电路的设计中，达到高精度与PCB设计是密不可分的，所以进行PCB设计过程中，按照电路实现的功能可以简单地划分为数字电路和模拟电路两部分，将数字区域与模拟区域进行分割，形成每个区域的独立电源和地，这样可以有效抑制干涉的传导和RF能量的辐射。

AD7656芯片在管脚定义时将模拟量和数字量信号按区域定义，有利于PCB设计中数字量和模拟量区域分割，布线时注意模拟信号区域布模拟信号线，数字信号区域布数字信号线，不要将数字信号线和模拟信号线并行布线。

在本系统中模拟地和数字地采用一个电势参考点，所以模拟地和数字地采用单点共地，共地点尽可能地靠近AD7656。

3.2 电源去耦设计

由于AD7656芯片存在多个电源管脚，在每个电源管脚需要连接去耦电容。去耦电容的设计中采用并联100nF和10 μF电容。电容选择时可选用具有小等效串联电感(ESL)瓷介质电容。AD7656的去耦电容设计见图6所示。

4 AD采集软件设计实现

TI公司提供良好的C/C++编译器，在TMS320C6713B软件开放过程中支持C/C++语言设计。并且提供的良好的库函数(DSPLIB)，支持TMS3 20C6713B的数学运算和矢量运行。

采集软件设计采用了模块化设计，主要包括初始化函数、AD7656转换启动函数和AD7656转换结果读取函数。

初始化函数实现对TMS320C6713B系统时钟、EMIF总线时钟配置，EMIF总线接口访问时序的配置。通过该初始化函数配置，配置CS(片选)RD读信号相对时序关系，满足AD7656访问时序关系。

AD7656转换启动函数实现启动AD7656的AD转换，该函数控制AD7656转换启动信号CONVSTA，B，C为有效状态，同步6路AD转换。

AD7656转换结束标识查询函数实现对AD7656转换状态标识信号BUSY查询，判断AD7656内部ADC转换是否结束。

AD7656转换结果读取函数实现档查询到AD转换结束标识后，读取AD转换结果。该函数通过连续的6次读操作，读取6路AD同步转换结果。 AD采集软件流程见图7所示。

5 结束语

针对要求高精度、多路信号监测和实时采集，本设计选用了AD7656和TMS320C6713B相结合作为某控制系统工作状态实时监控以及故障检测系统方案，本设计接口电路设计简单，采集精度高、速度快，可同时完成对多路信号的采集。系统联试证明，本系统完全满足某控制系统对工作状态监控以及故障检测信号的采集精度和实时性的要求。