基于串行總線的測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)設(shè)計

0 引 言
    智能測量儀器作為信息獲取工具，是一種集多個門類、多種學(xué)科技術(shù)于一體的復(fù)雜有機(jī)體。隨著測試技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代智能測量儀器不但對功能、性能、精度和指標(biāo)的要求越來越高，而且對系統(tǒng)可靠性、可維修性的要求也越來越高。因此，這就要求測量儀器具有完備的內(nèi)建測試(build intest，BIT)功能以及自我調(diào)節(jié)和補(bǔ)償能力，以使測量儀器系統(tǒng)本身具備測試、診斷和故障定位的能力以及適應(yīng)各種環(huán)境、溫度和器部件性能變化的能力。
    但是，智能測量儀器要具備這些測試、診斷以及調(diào)節(jié)、補(bǔ)償能力，必須首先對整個測量儀器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，然后通過對這些節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的故障定位或調(diào)節(jié)補(bǔ)償。這些狀態(tài)主要包括環(huán)境溫度以及電路板上各關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、功率等，由于都是模擬量，故常稱這些分布在電路板上的觀測節(jié)點(diǎn)為模擬節(jié)點(diǎn)?？梢姡瑢χ悄軠y量儀器工作環(huán)境以及各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模擬量的檢測是智能測量儀器內(nèi)建測試以及調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)那疤岷突A(chǔ)，也是智能測量儀器可測性設(shè)計的重要一環(huán)，需要認(rèn)真對待。
    下面介紹一種基于串行總線的智能測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測電路的沒計思想和設(shè)計方法。

1 模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計原理
    典型的電路板模擬節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電路通常由信號檢測通道、信號調(diào)理電路、多路選擇開關(guān)、采樣／保持電路、A／D轉(zhuǎn)換電路以及處理器接口和控制邏輯等構(gòu)成，如圖1所示。

    信號檢測通道主要用來探測電路板上各探測點(diǎn)的溫度、電流、電壓等模擬量，通常針對不同探測對象而使用不同的傳感器、檢波器或相關(guān)電路將待檢測信號轉(zhuǎn)換成一定的電流或電壓信號。
    信號調(diào)理電路是為了保證A／D轉(zhuǎn)換的精度而在模擬輸入信號進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器之前首先進(jìn)行的必要處理，以有效濾除不需要信號的影響，改善信號質(zhì)量，提高信噪比，增強(qiáng)信號的抗下擾能力，保證輸入信號符合A／D轉(zhuǎn)換器并處于其最佳轉(zhuǎn)換范同。信號調(diào)理所采用的技術(shù)通常包括增謐放大、衰減、濾波、整流、檢波信號轉(zhuǎn)換等。多路開關(guān)是為了簡化電路和降低成本而保證多個模擬節(jié)點(diǎn)共用同一個A／D轉(zhuǎn)換器而設(shè)計，以方便通過軟件實(shí)現(xiàn)對某一路模擬艟的轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)常用的有機(jī)械觸點(diǎn)式和電子式2種，通常需要根據(jù)通道數(shù)目、輸入方式(單端還是差分輸入)、電平高低、切換時間及穩(wěn)定時間、通路問所允許的最大串繞誤差以及控制方式等加以綜合考慮選擇。
    當(dāng)模擬節(jié)點(diǎn)輸入信號的頻率較高時，為減小A／D轉(zhuǎn)換的孔徑誤差常設(shè)計使用采樣／保持電路。采樣保持器通常根據(jù)輸入信號范圍、輸入信號變化率、采樣開關(guān)切換速度以及采樣誤差的允許范圍等選擇。如果輸入模擬信號頻率較低，A／D轉(zhuǎn)換相對足夠快或A／D集成了采樣保持器時則可以省略采樣保持器的設(shè)計。
    A／D轉(zhuǎn)換器足模擬輸入通道的關(guān)鍵器件，用來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便由處理器進(jìn)行一系列的后續(xù)處理。A／D轉(zhuǎn)換器件種類很多，選擇時需綜合考慮分辨力、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和功耗等指標(biāo)。一般地，A／D轉(zhuǎn)換器位數(shù)選取應(yīng)根據(jù)被測電路的模擬輸入信號的變化范圍和A／D轉(zhuǎn)換器量化誤差及量化噪聲等綜合考慮。

2 基于串行總線的模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計
    現(xiàn)代測量儀器智能化程度和性能指標(biāo)越來越高，越來越多地使用軟件進(jìn)行性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)和補(bǔ)償，同時越來越多地需要實(shí)時監(jiān)測整個儀器的工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的町靠性，故對模擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量需求越來越大。此外，現(xiàn)代智能測量儀器正迅速向低功耗、低成本、小體積、高性能、高速率方向發(fā)展，電路集成度越來越大，成本越來越低，尺寸越來越小，頻率也越來越高。作為測量儀器的輔助支撐電路，如何在滿足功能和性能的前提下盡可能減少電路板面積占用、減小對其他電路的電磁干擾等影響，一直是設(shè)計者不斷追求的目標(biāo)。可見，基于并行總線的傳統(tǒng)模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計思想已經(jīng)不能滿足需要。
    隨著串行總線接口技術(shù)的誕生和不斷成熟，其簡單的接口、較高的數(shù)據(jù)傳輸效率、靈活的互聯(lián)方式以及其可擴(kuò)展性能力使得在電子領(lǐng)域及測試領(lǐng)域得到迅速推廣和應(yīng)用。與并行接口相比，串行接口減少了引腳數(shù)目，降低了接口沒計的復(fù)雜性，減小了電磁輻射和體積。
    串行接口通常提供全雙工同步操作，數(shù)據(jù)以位為單位進(jìn)行串行輸入輸出。各元器件生產(chǎn)廠家紛紛推出了基于串行總線的器件，越來越多的處理器也開始集成相應(yīng)的串行通信接口，并兼容一些流行的串行總線。因此，在精度、速度、分辯力等指標(biāo)許可的前提下，選擇多通道以及具有采樣保持器串行ADC以及其他串行器件搭建基于串行總線的測量儀器模擬節(jié)點(diǎn)方案無疑是一種理想的選擇?；谶@種串行總線的模擬節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計如圖2所示。

    在智能測量儀器中，模擬節(jié)點(diǎn)通常分布于儀器的各個電路板和功能模塊，而每塊電路板和功能模塊又可能包括多個模擬探測節(jié)點(diǎn)。
    為此，在設(shè)計中往往根據(jù)模擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)量選擇使用一片或多片多通道串行A／D芯片(如AD公司的AD7812等)構(gòu)成每塊電路板或功能模塊的模擬輸入通道，而不同電路板或功能模塊上的串行設(shè)備均掛接在同一串行總線上，由處理器通過控制總線及譯碼邏輯來選擇相應(yīng)的模擬輸入通道并控制相應(yīng)串行設(shè)備的工作。此外，在具體的設(shè)計中，往往還可以利用串行總線進(jìn)行一些輔助電路設(shè)計：如利用一些串行D／A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成模擬輸出通道，以根據(jù)需要產(chǎn)生合適的模擬信號，實(shí)現(xiàn)對電路板相關(guān)電路的校準(zhǔn)與補(bǔ)償；設(shè)計掛接一些串行E2PROM存儲器，用來存儲相關(guān)通道的校準(zhǔn)與補(bǔ)償參數(shù)，等等。如圖3所示。

3 基于串行總線的模擬節(jié)點(diǎn)信號監(jiān)測設(shè)計要點(diǎn)
3．1 串行總線連接
    目前，世界各主要半導(dǎo)體制造商提交了多種不同的串行協(xié)議，比較典型的有以Motorola公司為代表的SPI(se-rial peripheral interface：串行外圍設(shè)備接口)、以Philips公司為代表的I2C(Inter IC)以及國家半導(dǎo)體公司為代表的MICROWIRE總線(微總線)等。其中，SPI是一種高速4線同步串行外設(shè)接口總線，1條用于串行移位時鐘SCK，1條用作從使能信號(SS)，另外2條數(shù)據(jù)線分別用于數(shù)據(jù)的收發(fā)(MISO和MOSI)，采取主從式通信方式、全雙工傳輸。傳輸速率由主控設(shè)備編程決定，可選擇移位
率、主從模式以及時鐘的極性和相位等；I2C總線是一種用雙向2線串行總線，1條串行數(shù)據(jù)線(SDA)和1條串行時鐘線(SCL)，采用主從方式的同步通信方式，在通信過程通過地址確定通信對象，每個I2C器件都有一個唯一的地址，每個器件既可發(fā)送也可接收，是1種多主總線；MI-CROWIRE總線是一種3線同步串行接口總線，1條時鐘線(SK)和2條數(shù)據(jù)收發(fā)線(SO和SI)。
    串行總線引腳較少，連接非常簡單?？谇?，很多處理器都直接集成了前述的串行總線接口，可以直接與相應(yīng)接口的串行設(shè)備相連。而在一些高端處理器巾，更是提供了更加靈活的可編程串行接口，如Motorola公州高端DSP處理器大都集成了可編程SSI串行同步通信接口，而TI公司的高端DSP處理器大都集成了可編程McBSP多通道緩沖串行接口，這接口不但具有與標(biāo)準(zhǔn)串行接口相同的基本功能，還可配置成通用輸入輸出(GPIO)接口，因此可以方便地與SPI、I2C和MICROWIRE等兼容設(shè)備直接連接。
    以McBSP多通道緩沖串行接口為例：通過配置McB-SP的工作模式，McBSP可兼容SPI、MICROWIRE等協(xié)議通信。當(dāng)McBSP被配置為時鐘停止模式時，可兼容SPI和MICROWIRE總線協(xié)議，此時發(fā)送器和接收器在內(nèi)部是同步的，故可將McBSP作為SPI主設(shè)備或從設(shè)備。當(dāng)設(shè)置McBSP為主設(shè)備時，可將發(fā)送數(shù)據(jù)幀時鐘(FSX)用作SPI從設(shè)備使能信號(即SS)，而將發(fā)送數(shù)據(jù)位時鐘(CLKX)用作SPI協(xié)議中串行時鐘信號(SCK，MI-CROWIRE沒備的SK)。當(dāng)連接I2C設(shè)備時，可將McBSP配置成GPIO模式，將McBSP的CLKX和FSX與I2C總線設(shè)備的SCL和SDA相連，利用軟件模擬I2C總線協(xié)議。McBSP為主沒備時，幾種通信模式下的典型連接關(guān)系如圖4所示。

    在智能測量儀器中，通常選擇處理器為主設(shè)備，而將各串行器件作為從設(shè)備，因此大都采取上述連接方式。針對不同的處理器，其連接方式略有不同。而對沒有提供相應(yīng)串行通信接口的處理器，也可以按照串行設(shè)備的工作時序來通過GPIO接口編程或利用可編程邏輯器件進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)。
3．2 通道擴(kuò)展與多片連接
    現(xiàn)代智能測量儀器電路板模擬節(jié)點(diǎn)數(shù)量很多，而且往往還需要利用串行總線構(gòu)建模擬輸出通道和存儲系統(tǒng)，這就需要在同一套串行總線上設(shè)計掛接多片乃至多種不同型號、不同總線形式的串行器件。如圖5所示。

    不同串行設(shè)備的工作時序不盡相同，為保證處理器與串行設(shè)備之間的通信需要對串行總線通道進(jìn)行必要的初始化設(shè)置。這些設(shè)置主要包括設(shè)備的主從模式(通常設(shè)置處理器為主設(shè)備)、移位率、時鐘極性和相位等屬性對利用GPIO接口編程模擬串行總線的應(yīng)用，還需要根據(jù)串行器件的時序特點(diǎn)編程設(shè)置相應(yīng)的輸出／輸出管腳和工作時序。
    串行ADC通常通過其內(nèi)置控制寄存器以控制字的方式來實(shí)現(xiàn)一系列的控制操作，如采樣模式、參考選擇、通道選擇以及A／D轉(zhuǎn)換等。針對擬選擇的模擬節(jié)點(diǎn)，通過軟件控制相關(guān)電路完成信號調(diào)理后，對鎖存器相應(yīng)位進(jìn)行操作來選擇相應(yīng)的串行ADC工作，利用串行總線向串行ADC寫入控制字來啟動對指定模擬節(jié)點(diǎn)信號的轉(zhuǎn)換操作(如果支持軟件啟動)。
    處理器通過串行總線接口讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，進(jìn)行必要的運(yùn)算和處理后獲得模擬節(jié)點(diǎn)監(jiān)測信號的真實(shí)結(jié)果，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作和處理。
    在具體的編程中，串行總線應(yīng)根據(jù)串行ADC的具體總線接口形式和時序特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，這一點(diǎn)務(wù)必注意，以免無法建立通信連接。不同串行ADC的讀寫時序不盡相同，編程時需要格外注意。此外，通過串行總線進(jìn)行讀寫操作時，需要根據(jù)讀寫數(shù)據(jù)的位數(shù)保證足夠的時鐘個數(shù)，以免無法正常讀寫。
    對于掛接在總線的其它設(shè)備的控制操作，可根據(jù)具體設(shè)備的特點(diǎn)，參考類似的方式予以編程實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)束語
    基于串行總線的模擬節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案不但實(shí)現(xiàn)簡單，成本低廉，而且還具有電磁輻射小、體積小、可擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以方便、靈活地根據(jù)實(shí)際電路的需求進(jìn)行通道擴(kuò)展?；谶@種設(shè)計思想的軟硬件方案已經(jīng)在筆者所從事的系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果。