AD和DA转换接口的设计.docx

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AD和DA转换接口的设计

摘要

在由DSP芯片组成的信号处理系统中，A/D和D/A转换器是非常重要的器件。

输入信号可以是各种各样的形式，可以是语音信号或来自电话线的已调制数字信号，也可以是各种传感器输出的模拟信号。

这些输入信号首先经过放大和滤波，然后进行A/D转换将模拟信号变换成数字信号，再由DSP芯片对数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘加-累加运算。

经过处理后的数字信号由D/A转换器变换成模拟信号，之后再进行平滑滤波，得到连续的模拟波形。

综上可知信号处理过程A/D和D/A转换器的作用。

该文主要介绍常用的A/D、D/A转换器的使用原理，与DSP芯片的接口电路，以及关于A/D、D/A转换器的DSP编程。

关键词：

TMS320VC5402TLC320AD50CCCS5000

目录

1设计概述1

2芯片TLC320AD50C的详细介绍3

2.1TLC320AD50C概述3

2.2TLC320AD50C特点3

2.3TLC320AD50C引脚及功能框图介绍5

3系统硬件设计7

3.1TMS320VC5402系统电路设计7

3.2TLC320AD50C与DSP的引脚连接方式9

4系统软件设计11

4.1AD50的控制时序12

4.2程序流程图14

4.3部分程序代码14

5心得体会17

参考文献18

1设计概述

通常，一个典型的DSP系统应包括抗混叠滤波、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等，其组成框图如图1.1所示。

在许多应用系统中，为了应用DSP卓越的数字信号处理能力，我们必须先将模拟信号进行数字化（A/D转换），再对采样数据进行相应的算法处理，最后经过数字信号模拟化（D/A转换）后输出。

在这些DSP应用系统中的关键问题是怎样十分容易和高效地实现这些转换，因此必然涉及到接口电路的设计。

本文介绍一种单片内集成了ADC通道和DAC通道的模拟接口电路TLC320AD50C（以下简称AD50）与TMS320VC5402缓冲串口的接口的设计实现方法，然后，基于这种接口电路的硬件设计，通过软件编程实现信号的采集与回放。

图1.1典型的DSP数据处理系统框图

TMS320VC5402是TI公司生产的从属于TMS320C54x系列的一个工作灵活、高速、具有较高性价比、低功耗的16位定点通用DSP芯片。

其主要特点包括：

采用改进的哈佛结构，1条程序总线（PB），3条数据总线（CB、DB、EB）和4条地址总线（PAB，CAB，DAB，EAB），带有专用硬件逻辑CPU，片内存储器，片内外围专用的指令集，专用的汇编语言工具等。

TMS320VC5402含4K字节的片内ROM和16K字节的双存取RAM，1个HPI（HostPortInterface）接口，2个多通道缓冲单口MCBSP（Multi-ChannelBufferedSerialPort），单周期指令执行时间10ns，双电源（1.8V和3.3V）供电，带有符合IEEE1149.1标准的JTAG边界扫描仿真逻辑。

AD50是TI公司生产的一个16位、音频范围（采样频率为2K～22.05KHZ）、内含抗混叠滤波器和重构滤波器的模拟接口芯片，它有一个能与许多DSP芯片相连的同步串行通信接口。

AD50C片内还包括一个定时器（调整采样率和帧同步延时）和控制器（调整编程放大增益，锁相环PLL，主从模式）。

AD50有28脚的塑料SOP封装（带DW后缀）和48脚的塑料扁平封装（带PT后缀），体积较小，适应于便携设备。

AD50的工作温度范围是0～70℃，单一5V电源供电或5V和3.3V联合供电，工作时的最大功耗为120mW。

DSP（数字信号处理器）具有强大的数字信号处理能力，在其应用系统中，大多由ADC和DAC通道来完成对模拟信号的数字化处理。

设计了基于一种集成ADC和DAC于一体的TLC320AD50C模拟接口电路与TMS320VC5402定点DSP接口电路的硬件设计方法，并结合硬件电路实现主从模式下软件的设计。

2芯片TLC320AD50C的详细介绍

2.1TLC320AD50C概述

TLC320AD50C使用过采样的Σ-Δ技术提供从数字至模拟（D/A）和模拟至数字（A/D）的高分辨率低速信号转换。

该器件包括两个串行的同步转换通道（用于各自的数据方向）；在DAC之前有一个插入滤波器（interpolationfilter）和ADC之后有一个抽取滤波器（decimationfilter）。

其它的高级功能有片内时序和控制。

Σ-Δ结构在低系统速度和低价格下产生高分辨率的模数和数模转换。

该器件的选项和电路结构可通过串行接口进行编程。

其选项包括：

复位、掉电、通信协议、串行时钟率、信号采样率、增益控制及测试方式等。

TLC320AD50C的工作温度范围从0℃～70℃。

2.2TLC320AD50C特点

●单5V电源供电或5V模拟、3V数字电源

●工作方式时功耗（PD）100mW（最大）

●硬件掉电方式时功耗2.5mW

●通用16位信号处理

●2的补码数据格式

●动态范围91dB（典型）

●ADC总的信号/（噪声+失真）88dB（最小）

●DAC总的信号/（噪声+失真）85dB（最小）

●全部器件为差分结构

●内部基准电压（Vref）

●ADC为64倍过采样，而DAC为256倍过采样（内部）

●串行接口

●当二次通信（secondarycommunication）时ALTDATA端提供数据监视

●系统测试方式，数字反馈（loopback）测试和模拟反馈测试

●支持各种V.34采样速率

●支持商业级音响应用

●多种转换速率可选，如MCLK/（128×N）或MCLK（512×N）

●可以配置成主机或从机方式

●可以支持三个从机器件

●输入和输出增益控制

一下是一些定义和术语的解释。

DataTransferInterval（数据传送时间间隔），时间间隔是指在此时间内数据从DOUT传出和向DIN传入。

此间隔为16个移位时钟，数据传送由帧同步信号的下降沿启动。

SignalData（信号数据），信号数据包括输入信号通过ADC通道转换的结果以及通过DAC通道至模拟输出的返回（数据）。

这与纯数字软件控制的数据相反。

PrimaryCommunications（首次通信），首次通信是指数字数据传送时间。

因为器件是同步的，所以信号数据来自ADC通道和送至DAC通道是同时发生的。

SecondaryCommunications（二次通信），二次通信是指送入DIN的数字控制和配置数据传送时间，以及从DOUT寄存器读出数据的时间。

只有当硬件或软件要求时才产生数据传送时间。

FrameSync（帧同步），帧同步就是指启动数据传送时间间隔的信号的下降沿。

首次帧同步启动首次通信，二次帧同步启动二次通信。

FrameSyncandSamplingPeriod（帧同步和采样周期），连续的两个首次帧同步信号下降沿之间的时间。

FrameSyncInterval（帧同步时间间隔），16个移位时钟所占据的时间间隔。

在帧同步信号的下降沿之后，帧同步信号在SCLK的第16个上升沿时变为高电平。

ADCChannel（ADC通道），从模拟输入到DOUT端数字转换结果之间的全部信号处理电路。

DACChannel（DAC通道），在加至DIN端的数字数据字与OUTP和OUTM端可用的差分输出模拟信号之间的所有信号处理电路。

2.3TLC320AD50C引脚及功能框图介绍

DW和PT封装的AD50的引脚排列（顶视）如图2.2和2.3所示。

图2.2DW封装的TLC320AD50C的引脚排列图

图2.2PT封装的TLC320AD50C的引脚排列图

TLC320AD50C的功能方框如图2.1所示。

图2.1TLC320AD50C功能框图

3系统硬件设计

3.1TMS320VC5402系统电路设计

一个完整的DSP系统通常是由DSP芯片和其他相应的外围器件构成。

下面以TMS320VC5402芯片为系统核心，设计DSP硬件系统的电路，包括时钟电路、电源电路、复位电路、功能配置引脚连接以及程序存储空间扩展和数据空间扩展电路。

时钟电路用来为TMS320VC5402芯片提供时钟电路，由一个内部振荡器和一个锁相环PLL组成，可通过晶振驱动。

另外外部中断均上拉高电平，并在个电源接口加去耦电容。

电路原理图如图3.1、图3.2、图3.3和图3.4所示。

图3.1TMS320VC5402芯片及时钟电路

图3.2功能配置引脚连接电路

图3.3电源电路和复位电路

TMS320VC5402的程序存储空间扩展RAM选用IS61LV6416，程序存储空间扩展FLASH选用AT29LV1024，数据存储空间扩展RAM选用IS61LV6416。

考虑到上电及复位时，引导的执行以及用户程序要存放到读取速度较快的外部程存RAM中，所以要设计程存空间和数存空间在转换的逻辑电路，即用DSP的XF外部标志输出引脚和非门74HC32来实现引导期间数据总线、地址总线在程存空间和数存空间的切换，具体电路如图3.4所示。

图3.4存储空间扩展电路

3.2TLC320AD50C与DSP的引脚连接方式

硬件连接采用AD50C为主控模式（=1），向C5402的McBSP0（从设备）提供SCLK（数据移位时钟）和FS（帧同步脉冲帧同步脉冲），并控制数据的传输过程并控制数据的传输过程。

TMS320C5402工作于SPI方式的从机模式，CLKX0和FSX0为输入引脚，在接收数据和发送数据时都是利用外界时钟和移位脉冲。

C5402与TLC320AD50C的硬件连接如图3.5所示。

图3.5AD50C与DSP连接方式

4系统软件设计

一旦完成了正确的硬件连接，接下来就可以进行软件编程调试了。

要完成的工作包括：

（1）TMS320VC5402串口的初始化。

首先将DSP串口1复位，再对串口1的16个寄存器进行编程，使DSP串口工作在以下状态：

以SPI模式运行，每帧一段，每段一个字，每字16位，采样率发生器由DSP内部产生，帧同步脉冲低电平有效，并且帧同步信号和移位时钟信号由外部产生。

DSP给AD50C编程用查询方式，接收A/D转换的D信号和发送D/A转换的D信号用DMA方式。

（2）AD50初始化。

该初始化操作过程包括通过TMS320VC5402的同步串口发送两串16位数字信息到AD50。

第一串为0000000000000001B，最低有效位（bits0）说明下一个要传输的数据字属于二次通信。

第二个数据值用来对AD50的4个数据寄存器的某一个进行配置。

Bits15～11位为0，Bits10～8位为所选寄存器地址值，Bits7～0位为所选中寄存器的编程值。

4个用户可编程寄存器的描述如下：

R1中包含模拟输入通道选择，硬件、软件编程方式选择；R2进行单机、从机工作和电话模式（电话模式内容请参阅参考文献[3]）选择；R3控制带从机个数选择；R4用来设置模拟信号可编程放大增益和A/D、D/A转换频率。

其它两个寄存器R5、R6是厂家留着测试用的，用户不可以对其编程。

我们在以下例程中对4个可编程寄存器编程，使AD50C工作在以下状态：

选择INP/INM为工作模拟输入，15+1位ADC和15+1位DAC模式，不带从机，采样频率为10.67KHz，模拟信号输入和输出放大增益均为0dB。

（3）用户代码的编写。

完成音频信号采集与回放代码的编制。

本设计给AD50编程用查询方式，接收A/D转换的D信号和发送D/A转换的D信号用DMA方式。

4.1AD50的控制时序

AD50C的ADC通道主通信时序图如图4.1所示。

图4.1ADC通道主通信时序图

AD50C的ADC通道主通信和次通信时序图如图4.2所示。

图4.2ADC通道主通信和次通信时序图

AD50C的DAC信号通道主通信和次通信时序图如图4.3所示。

图4.3DAC信号通道主通信和次通信时序图

控制寄存器1位功能表如图4.5所示。

另外还有控制寄存器2、3、4的功能表，此处不再一一叙述，他们的映象表如图4.6所示。

图4.6控制寄存器的映象表

4.2程序流程图

图4.5系统程序流程图

4.3部分程序代码

TMS320VC5402中断及串口初始化部分程序如下所示。

……

stm #0002h, 48h

stm #0040h, 49h；设置串口1工作在每帧一个字每个字16位模式

……

stm #0006h, 48h

stm #0100h, 49h；设置CLKGDV=0，使串口1工作在最大频率

stm #0007h, 48h

stm #0a000h, 49h；设置CLKSM=1采样率发生器时钟由DSP内部产生

stm #000eh，48h

stm #0008h，49h；设置FSXP=1，使帧同步脉冲低电平有效

stm #0080h，imr；DMA一通道中断使能

rsbx intm；开放所有可屏蔽中断

……

AD50初始化的部分程序如下所示。

ld #0001h，a ；D0=1，请求第二次交流

stlm a，43h  ；向TLC320AD50C写数据

aa：

stm #0001h，48h 

ldm 49h，a

and #0002h，a

bc aa，aeq  ；数据是否被TLC320AD50C接收

ld #0180h，a ；给TLC320AD50C的寄存器1编程，使其复位

stlm a，43h

bb：

stm #0001h，48h

ldm 49h，a

and #0002h，a

bc bb，aeq  ；编程数据是否被TLC320AD50C接收

……

stm #0100h，a ；AD50C脱离复位设置寄存器1使INP、INM为输入

……

stm #0200h，a ；设置TLC320AD50C寄存器2，使电话模式无效

……

stm #0460h，a ；设置TLC320AD50C寄存器4，使采样频率为10.667KHz

……

stm #0300h，a ；设置TLC320AD50C寄存器3，使带0个从机

……

DMA1通道初始化的部分程序如下所示。

stm #05h， 55h ；选择DMA1通道

stm #0041h，56h ；设置串口1接收端为DMA事件的源地址

stm #027fh，56h ；设置DMA事件的目的地址

stm #3000h，56h ；设置直接传送数据个数

stm #5000h，56h ；设置串口1同步模式，一帧接收一个字

stm #404dh，56h ；设置DMA为多帧模式，源地址按57h的值调整

stm #20h， 55h

stm #0001h，57h ；设置目的地址为自动加1调整

stm #0282h，54h ；设置通道1为高优先级并使能通道1

……

5心得体会

在本周的课程设计中，由于时间紧凑，我大部分是参考网上的资料，但同时我也认识到课本上的知识的实际应用，增强了思考和解决实际问题的能力。

虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。

这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。

只有牢固掌握了所学的理论知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走，才能顺利的解决每一个问题。

但在实际应用中还要更深入思考。

通过查阅书籍和上网搜索资料，我发现所说的基本上都是一样的，只有通过自己的实际操练，上机编程来验证，才能发现问题的所在，从而真正掌握知识技能。

一周的课程设计虽然结束了，但是在这期间所学的知识和老师的指导让我受益匪浅。

参考文献

1、邹彦.DSP原理及应用，电子工业出版社，2005.1

2、C54xApplicationsGuide.pdf

3、C54xMnemonicInstructionSet.pdf

4、[美]TexasInstrumentsIncorporated著梁晓雯裴小平李玉虎编译.TMS320C54x系列DSP的CPU与外设，清华大学出版社，2006.9