1 引言
随着数字信号处理技术的发展，人们对嵌入式数据采集系统的采样精度和传输速度要求越来越高，本文介绍的嵌入式数据采集系统设计方案采用了ADI公司的高精度18位SAR型ADC AD7674与TI公司32位定点主频高达150 MHz的DSPTMS320F2812构成一个数据采集系统，并利用McBSP的时钟停止模式实现与AD7674之间的高速数据传输。
2 AD7674简介
AD7674是一款高精度18位逐次逼近（SAR）型ADC，它具有采样速率高、精度高、功耗低、无管道延迟的特点，其采样速率最高可以达到800 kS／s（每秒千次采样），积分非线性误差（INL）最大为±2.5 LSB，在整个工作温度范围内，保证无丢码。该器件是全差分输入，5 V单电源供电，可接5 V或3.3 V数字电源。AD7674还具有许多其它特点，包括一个内部变换时钟、一个内部基准缓冲器、误差修正电路以及串行（SPI）与并口（18、16或8位总线）接口。
AD7674能提供3种不同转换速率工作方式以便对不同的具体应用优化性能，这三种工作模式如下：
WARP：允许采样率高达800 kS／s。然而在这种模式下只有转化之间的时间不超过1ms时，才能保证其转化的精度，如果连续两次转换之间的时间大于1 m8，第一次转换的结果就会被忽略，这种模式适合于要求快速采样率的应用。
NORMAL：这种模式的采样率为666 kS／s，在这种模式下对采样转化之间的时间没有限制，这样既可保证高的转换精度又可确保快速的采样速率。
IMPULSE：这是一种低功耗模式，其采样率为570 kS／s，例如：当器件工作在1 kS／s时，仅消耗功率为136 μW，该器件适合于电池供电的应用。
3 多通道缓冲串行接口（McBSP）
TMS320F2812是一款高性能、多功能、高性价比32位定点DSP。该器件兼容于TMS320F2407指令系统，最高可在150 MHz主频下工作，片上集成有丰富的外设，其中包括一个多通道缓冲串行接口（McBSP）。
TMS320F2812的McBSP在时钟停止模式下工作时与串行外围接口（SPI）相兼容，这便于与SPI器件连接。
当McBSP配置为时钟停止模式时，发送器和接收器内部同步，这样McBSP可以作为一个SPI主设备或从设备。在此模式下，McBSP的发送时钟信号CLKX相当于SPI总线的SCLK信号，输出信号DX作为SPI主设备的MOSI信号，接收输入信号DR作为SPI主设备的MISO信号。将McBSP配置为SPI主设备时，需要配置相应的寄存器，在时钟停止模式中，由于采用内部同步模式，因此不使用时钟信号CLKR和接收帧同步信号FSK。为使DSP按照一定的方式通信，需要对McBSP的各个控制寄存器进行相应配置，其中，SPCR1／SPCR2用于设置工作模式、接收符号扩展和对齐模式、对收发器和采样速率生成器进行复位，以及判断收发器是否准备好等。RCR1／RCR2用于控制接收数据的字长、数据延迟。XCR1／XCR2用于控制发送数据的字长、数据延迟。SRGR1／SRGR2用于设置采样速率生成器的工作模式和采样速率生成器的分频系数。PCR用于控制相应引脚的工作模式。
4 McBSP接口电路设计
AD7674与TMS320F2812的接口电路如图1所示。在本系统设计中，为了保证较高的转换精度和快速的采样速率，需采取以下措施：（1）AD7674设置成NORMAL工作方式，即WARP和IMPULSE引脚接地；（2）采用串口通信方式，将MODE0和MODE1固定为高电平；（3）将EXT／INT引脚接高电平，配置为从设备；（4）AD7674的CS、CNVST、BUSY引脚分别与TMS320F2812的GPIOD0、GPIOD1、GPIOD2引脚相连，通过TMS320F2812的GPIO端口控制AD7674的片选、转换及工作状态；（5）AD7674符合SPI的数据通信协议，将其SCLK引脚与TMS320F2812的MCLKXA引脚相连，这样TMS320F2812可向AD7674提供接收数据的时钟；（6）AD7674的SDOUT引脚与TMS320F2812的MDRA引脚相连。接收数据时，使SDOUT输出的采样结果在时钟脉冲的控制下通过MDRA逐位移至McBSP的接收移位寄存器。
5 软件设计
AD7674与TMS320F2812McBSP进行高速串行通信时，首先通过TMS320F2812 McBSP的相关寄存器设置，配置McBSP为时钟停止模式，该模式兼容于SPI协议，再配置McBSP的字长、对齐模式、数据延迟、采样速率生成器的分频系数，然后通过TMS320F2812的GPIOD0端口片选AD7674，并启动ADC的转换。当转换控制输入CNVST的下降沿到来时，片内采样保持器由采样模式转化为保持模式，保持模拟输入信号，并启动转换过程，转换启动后，BUSY信号一直保持高电平，直到转换完成，BUSY信号才变为低电平。最后在TMS320F2812输出脉冲的控制下，将18位的采集结果送至指定的存储单元。AD7674从串口模式转换时序图如图2所示。McB-SP串口通信软件流程图如图3所示。部分程序如下：
6 试验结果
AD7674的输入模拟量Vin=3.07 V时，串口通信记录如图4所示。图中通道Chl为MeBSP的输出时钟MCLKXA（20位时钟脉冲），通道Ch2为AD7674的SDOUT引脚输出的18位结果。
为了满足AD7674的A／D转换的所有时序要求，提供给A7674 SPI接口的时钟不大于17 Mbit／s，因而在试验中，通过设置McBSP采样速率生成器时钟的分频系数，从而使得McBSP的输出时钟频率为12.52 MHz，以达到满足A／D转换的时序要求。
7 结束语
本文详细介绍了高速率、高精度18位ADCAD7674与32位定点DSP TMS320F2812的McBSP之间的高速串口通信的接口电路及其软件设计。该嵌入式数据采集系统设计简洁，在DSP集成开发环境CCS下采用C语言编写、调试完成。由于采用McBSP的时钟停止模式兼容于SPI传输协议，且McBSP的字长和采样速率生成器时钟配置灵活，传输速度快，因而带有SPI接口的高速率、高精度ADC可与DSP McBSP接口实现串口通信，以实现嵌入式数据采集系统高速数据传输，同时AD7674与AD7678、AD7679等18位SAR ADC以及AD7621、AD7623等16位高速SAR ADC引脚相兼容，从而大大增强了系统开发的灵活性和拓展性。
1 引言
随着数字信号处理技术的发展，人们对嵌入式数据采集系统的采样精度和传输速度要求越来越高，本文介绍的嵌入式数据采集系统设计方案采用了ADI公司的高精度18位SAR型ADC AD7674与TI公司32位定点主频高达150 MHz的DSPTMS320F2812构成一个数据采集系统，并利用McBSP的时钟停止模式实现与AD7674之间的高速数据传输。
2 AD7674简介
AD7674是一款高精度18位逐次逼近（SAR）型ADC，它具有采样速率高、精度高、功耗低、无管道延迟的特点，其采样速率最高可以达到800 kS／s（每秒千次采样），积分非线性误差（INL）最大为±2.5 LSB，在整个工作温度范围内，保证无丢码。该器件是全差分输入，5 V单电源供电，可接5 V或3.3 V数字电源。AD7674还具有许多其它特点，包括一个内部变换时钟、一个内部基准缓冲器、误差修正电路以及串行（SPI）与并口（18、16或8位总线）接口。
AD7674能提供3种不同转换速率工作方式以便对不同的具体应用优化性能，这三种工作模式如下：
WARP：允许采样率高达800 kS／s。然而在这种模式下只有转化之间的时间不超过1ms时，才能保证其转化的精度，如果连续两次转换之间的时间大于1 m8，第一次转换的结果就会被忽略，这种模式适合于要求快速采样率的应用。
NORMAL：这种模式的采样率为666 kS／s，在这种模式下对采样转化之间的时间没有限制，这样既可保证高的转换精度又可确保快速的采样速率。
IMPULSE：这是一种低功耗模式，其采样率为570 kS／s，例如：当器件工作在1 kS／s时，仅消耗功率为136 μW，该器件适合于电池供电的应用。
3 多通道缓冲串行接口（McBSP）
TMS320F2812是一款高性能、多功能、高性价比32位定点DSP。该器件兼容于TMS320F2407指令系统，最高可在150 MHz主频下工作，片上集成有丰富的外设，其中包括一个多通道缓冲串行接口（McBSP）。
TMS320F2812的McBSP在时钟停止模式下工作时与串行外围接口（SPI）相兼容，这便于与SPI器件连接。
当McBSP配置为时钟停止模式时，发送器和接收器内部同步，这样McBSP可以作为一个SPI主设备或从设备。在此模式下，McBSP的发送时钟信号CLKX相当于SPI总线的SCLK信号，输出信号DX作为SPI主设备的MOSI信号，接收输入信号DR作为SPI主设备的MISO信号。将McBSP配置为SPI主设备时，需要配置相应的寄存器，在时钟停止模式中，由于采用内部同步模式，因此不使用时钟信号CLKR和接收帧同步信号FSK。为使DSP按照一定的方式通信，需要对McBSP的各个控制寄存器进行相应配置，其中，SPCR1／SPCR2用于设置工作模式、接收符号扩展和对齐模式、对收发器和采样速率生成器进行复位，以及判断收发器是否准备好等。RCR1／RCR2用于控制接收数据的字长、数据延迟。XCR1／XCR2用于控制发送数据的字长、数据延迟。SRGR1／SRGR2用于设置采样速率生成器的工作模式和采样速率生成器的分频系数。PCR用于控制相应引脚的工作模式。
4 McBSP接口电路设计
AD7674与TMS320F2812的接口电路如图1所示。在本系统设计中，为了保证较高的转换精度和快速的采样速率，需采取以下措施：（1）AD7674设置成NORMAL工作方式，即WARP和IMPULSE引脚接地；（2）采用串口通信方式，将MODE0和MODE1固定为高电平；（3）将EXT／INT引脚接高电平，配置为从设备；（4）AD7674的CS、CNVST、BUSY引脚分别与TMS320F2812的GPIOD0、GPIOD1、GPIOD2引脚相连，通过TMS320F2812的GPIO端口控制AD7674的片选、转换及工作状态；（5）AD7674符合SPI的数据通信协议，将其SCLK引脚与TMS320F2812的MCLKXA引脚相连，这样TMS320F2812可向AD7674提供接收数据的时钟；（6）AD7674的SDOUT引脚与TMS320F2812的MDRA引脚相连。接收数据时，使SDOUT输出的采样结果在时钟脉冲的控制下通过MDRA逐位移至McBSP的接收移位寄存器。
5 软件设计
AD7674与TMS320F2812McBSP进行高速串行通信时，首先通过TMS320F2812 McBSP的相关寄存器设置，配置McBSP为时钟停止模式，该模式兼容于SPI协议，再配置McBSP的字长、对齐模式、数据延迟、采样速率生成器的分频系数，然后通过TMS320F2812的GPIOD0端口片选AD7674，并启动ADC的转换。当转换控制输入CNVST的下降沿到来时，片内采样保持器由采样模式转化为保持模式，保持模拟输入信号，并启动转换过程，转换启动后，BUSY信号一直保持高电平，直到转换完成，BUSY信号才变为低电平。最后在TMS320F2812输出脉冲的控制下，将18位的采集结果送至指定的存储单元。AD7674从串口模式转换时序图如图2所示。McB-SP串口通信软件流程图如图3所示。部分程序如下：
6 试验结果
AD7674的输入模拟量Vin=3.07 V时，串口通信记录如图4所示。图中通道Chl为MeBSP的输出时钟MCLKXA（20位时钟脉冲），通道Ch2为AD7674的SDOUT引脚输出的18位结果。
为了满足AD7674的A／D转换的所有时序要求，提供给A7674 SPI接口的时钟不大于17 Mbit／s，因而在试验中，通过设置McBSP采样速率生成器时钟的分频系数，从而使得McBSP的输出时钟频率为12.52 MHz，以达到满足A／D转换的时序要求。
7 结束语
本文详细介绍了高速率、高精度18位ADCAD7674与32位定点DSP TMS320F2812的McBSP之间的高速串口通信的接口电路及其软件设计。该嵌入式数据采集系统设计简洁，在DSP集成开发环境CCS下采用C语言编写、调试完成。由于采用McBSP的时钟停止模式兼容于SPI传输协议，且McBSP的字长和采样速率生成器时钟配置灵活，传输速度快，因而带有SPI接口的高速率、高精度ADC可与DSP McBSP接口实现串口通信，以实现嵌入式数据采集系统高速数据传输，同时AD7674与AD7678、AD7679等18位SAR ADC以及AD7621、AD7623等16位高速SAR ADC引脚相兼容，从而大大增强了系统开发的灵活性和拓展性。
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