MAXQ7654在信號(hào)濾波中的應(yīng)用

本文描述的應(yīng)用旨在展示MAXQ7654的混合信號(hào)特性。微控制器利用一個(gè)I)AC產(chǎn)生帶噪聲的正弦波。DA(：輸出被接入一個(gè)ADC輸入通道進(jìn)行采樣。得到的采樣通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)易的有限激勵(lì)響應(yīng)（FIR）濾波器，以衰減信號(hào)中的高頻分量，從而在第二個(gè)DAC產(chǎn)生連續(xù)和光滑的正弦波輸出。利用豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，在很多有意義的應(yīng)用中都可施展MAXQ7654的能力。本文聚焦于MAXQ7654的信號(hào)處理能力，主要展示其ADC、DAC和硬件乘加單元。采用IAR編譯器和MAXQ7654評(píng)估板(EV kit)，通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明如何從充滿噪聲的正弦波中濾出干凈的低頻信號(hào)。本應(yīng)用的源代碼、項(xiàng)目文件和原理圖可在www．maxim—ic．com／MAXQ7654 Fiher下載。

1 集成的模擬功能和外設(shè)使信號(hào)濾波

MAXQ7654集成了16通道、12位ADC，完成一次轉(zhuǎn)換僅需16個(gè)時(shí)鐘周期。時(shí)鐘頻率為8MHz(最大值)時(shí)，每秒可完成500 000次采樣。測(cè)量單端模擬信號(hào)時(shí)可對(duì)多達(dá)16路信號(hào)進(jìn)行采樣，測(cè)量差分信號(hào)時(shí)可對(duì)多達(dá)8路輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。該ADC也可進(jìn)行溫度測(cè)量--MAXQ7654內(nèi)含溫度傳感器，可讀取芯片(管芯)溫度。MAXQ7654包括一個(gè)用于信號(hào)處理硬件乘加單元。它能在一個(gè)周期中進(jìn)行二個(gè)16位乘法，并且還有可選的累加器功能，可工作于帶符號(hào)或無(wú)符號(hào)模式。這樣一來(lái)簡(jiǎn)化了FIR和IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)；每個(gè)濾波因數(shù)只需3個(gè)機(jī)器周期的處理，其中包括調(diào)用濾波器的開銷。JT7AG調(diào)試引擎是MAXQ平臺(tái)公用的，當(dāng)應(yīng)用程序在目標(biāo)硬件上運(yùn)行時(shí)，利用它可完成寄存器和存儲(chǔ)器的讀、寫操作。采用．JTAG后還省掉了昂貴的仿真器。主要的C編譯器提供商，如Rowley、IAR和Python均支持MAXQ7654及其調(diào)試功能。

    MAXQ平臺(tái)的一個(gè)新增外設(shè)是控制器局域網(wǎng)(CAN)2．0B接口，它是常用于工業(yè)和汽車領(lǐng)域的通信協(xié)議。MAXQ7654的CAN控制器支持15個(gè)消息中心，比特率高達(dá)1Mb／s。當(dāng)收到或發(fā)出消息后以中斷形式通知系統(tǒng)。SPI?接口支持從機(jī)或主機(jī)模式，可進(jìn)行8位或16位數(shù)據(jù)傳輸。SPI常見于小型電路，如可編程充電器、數(shù)字電位器、DAC、ADC和存儲(chǔ)器。MAXQ7654．有4個(gè)多功能定時(shí)器。這些定時(shí)器采用8位或16位計(jì)數(shù)方式，支持周期性中斷、脈寬調(diào)制、捕獲及比較功能的自動(dòng)重裝載。

2 濾波應(yīng)用的軟件架構(gòu)

定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)第一個(gè)DAC輸出帶噪聲的正弦波，以確保輸出采樣具有固定的間隔。設(shè)計(jì)用于生成正弦波的代碼涉及復(fù)雜的浮點(diǎn)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算量很大。考慮到正弦波數(shù)據(jù)是周期性重復(fù)出現(xiàn)的。重新計(jì)算那些不會(huì)隨時(shí)間改變的正弦波數(shù)據(jù)會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此，在應(yīng)用程序一開始就預(yù)先算出一組正弦波數(shù)據(jù)。在正弦波數(shù)據(jù)初始化之后，定時(shí)器產(chǎn)生周期性中斷。定時(shí)器中斷程序代碼中的一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器用來(lái)產(chǎn)生噪聲，噪聲被直接疊加到干凈的正弦波數(shù)據(jù)中，結(jié)果被傳給DAC產(chǎn)生輸出信號(hào)。為了保持演示程序代碼的簡(jiǎn)潔，在用于產(chǎn)生輸出正弦波的定時(shí)中斷中同時(shí)對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。當(dāng)讀取輸入采樣后，采樣信號(hào)通過(guò)簡(jiǎn)易的FIR濾波軟件處理，為使效率最大化，該濾波軟件用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。濾波后的采樣信號(hào)隨后從第2個(gè)DAC輸出。用示波器來(lái)比較二個(gè)DAC的輸出，可以發(fā)現(xiàn)一條正弦曲波較為粗糙，帶有噪聲，而另一條正弦比較干凈，由于FIR濾波器的長(zhǎng)度有限，因而帶有輕微的相位延遲。

3 噪聲正弦波的生成和采樣

定時(shí)器中斷程序代碼如下，程序開始時(shí)已預(yù)先計(jì)算好正弦波數(shù)據(jù)，本段代碼將其轉(zhuǎn)換為噪聲正弦波數(shù)據(jù)。

sample=static-sin-data[sinindex++]；

sinnoise=((sinnoise^0x5C)*31)+0xabcd；

thisnoise=sinnoise；

if(thisnoise&Ox01)

{

thisnoise=thisnoise&0xlff；

}

else

{

thisnoise=-1*(thisnoise&Oxlff)；

}

sample+=thisnoise；

if(sample<0)

sample=sample*-1;

if(sample>4095)

sample=8192-sample；

DACll=sample； ／／Send value to DAC#1

if(sinindex>：SIN_WAVE_STEPS)

sinindex=0：

sinnoise變量用來(lái)存儲(chǔ)偽隨機(jī)噪聲(可能是正的或負(fù)的)。噪聲被疊加到干凈的正弦波數(shù)據(jù)后，所產(chǎn)生的噪聲正弦波數(shù)據(jù)被直接賦給DACll寄存器以進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換。從ADC讀取采樣數(shù)據(jù)的過(guò)程幾乎同樣簡(jiǎn)單。設(shè)置完ADC的采樣輸入引腳后，軟件可通過(guò)查詢BUSY位或者使能中斷來(lái)獲知轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。本實(shí)例代碼使用了查詢方式。

inputsample=ADC_Convert_Poll(AIN0 | START CON

V | CONTINUOUS)；

unsigned int ADC_Convert_Poll(unsigned int Con-

trol_Reg)

{

ACNT=Control Reg；／／Set the ADC parameters

while(ACNT_bit．ADCBY==1)； ／／Wait till

ADC is not busy

return ADCD； ／／Return the ADC result

}

注意，MAXQ7654中ADC的采樣率是500ks／s。在8MHz時(shí)鐘下，只需等待16個(gè)時(shí)鐘周期便可完成一次轉(zhuǎn)換。

4 簡(jiǎn)單的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

本應(yīng)用所產(chǎn)生的波形中包含一個(gè)強(qiáng)低頻信號(hào)和大量的高頻噪聲。用一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器可凈高精度的浮點(diǎn)濾波因數(shù)。不過(guò)，由于MAXQ7654有16位硬件乘加器，因此需要將浮點(diǎn)因數(shù)轉(zhuǎn)換成16位精度的定點(diǎn)因數(shù)。這一轉(zhuǎn)換會(huì)給理想的濾波器變換引入誤差。因此，該Java程序也給出建立在定點(diǎn)因數(shù)之上的實(shí)際變換結(jié)果，并以圖形方式給出了誤差。注意：盡管該程序既支持極點(diǎn)(突出頻率分量)也支持零點(diǎn)(衰減頻率分量)，但演示代碼只使用零點(diǎn)。無(wú)限激勵(lì)響應(yīng)濾波器(包含極點(diǎn)和零點(diǎn))可以由另外的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用程序窗口底部的文本框中給出了生成的16位定點(diǎn)濾波因數(shù)以及其中的小數(shù)位數(shù)。

5 結(jié)論

MAXQ7654是一個(gè)高性能、應(yīng)用廣泛的混合信號(hào)微處理器。MAXQ7654簡(jiǎn)單的演示代碼和高集成設(shè)計(jì)可使性能最大化，該器件可在信號(hào)濾波應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供易于使用的解決方案。