LPC1768與AD7656帶時標(biāo)采樣系統(tǒng)設(shè)計

摘要：以微控制器LPC1768為核心控制AD7656的采樣電路，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)帶上準(zhǔn)確時間標(biāo)記的設(shè)計方案。系統(tǒng)采用LPC1768片內(nèi)資源SSP0控制AD7656進(jìn)行采樣，并使用片內(nèi)資源RTC，以獲得帶有實時時間標(biāo)示的采樣數(shù)據(jù)。帶時標(biāo)采樣系統(tǒng)在工業(yè)實時監(jiān)測系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：時間標(biāo)示；LPC1768；AD7656；RTC；SSP

引言
    監(jiān)測系統(tǒng)中，對被測對象的監(jiān)測時常需要帶時標(biāo)。過去常外擴(kuò)實時時鐘芯片PCF8563，使用I2C接口與控制器相連，來獲得時間。該設(shè)計需要外擴(kuò)硬件資源，并且消耗控制器資源，使用效果不佳。恩智浦(NXP)公司的基于最新ARMv7內(nèi)核的LPC1768，內(nèi)嵌實時時鐘計數(shù)器，系統(tǒng)
掉電仍可繼續(xù)運(yùn)行，可由自帶的電源引腳VBAT供電，進(jìn)行不間斷地計時。數(shù)模采樣模塊采用ADI公司的AD7656，高精度、高速度、高信噪比、良好的實用性等特點使其成為模／數(shù)轉(zhuǎn)換的極佳選擇。使用LPC1768為控制核心，配合高效的AD7656模／數(shù)芯片，構(gòu)成采樣數(shù)據(jù)帶時標(biāo)的實時采樣系統(tǒng)，在工業(yè)實時監(jiān)測系統(tǒng)中有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 硬件設(shè)計
1．1 芯片簡介
    Correx系列基于ARM公司的架構(gòu)ARMv7，包括Cortex-A(應(yīng)用處理器)、Cortex-R(實時處理器)、Cor-tex-M(微控制器)三個系列，Cortex-M3是面向低成本、小引腳數(shù)目以及低功耗應(yīng)用，并且具有極高運(yùn)算能力和中斷響應(yīng)能力的處理器內(nèi)核。NXP的LPC1768便是基于Cortex-M3的處理器。
    如同現(xiàn)在市場上多數(shù)控制器，LPC1768只內(nèi)建了1個帶8通道的12位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換(少數(shù)芯片如TMS320F2812，帶有2個8通道12位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換)，不能實現(xiàn)對多個監(jiān)測單元的同時采樣，并且實際達(dá)到的分辨率也只有9位半，不能滿足現(xiàn)場監(jiān)測的需要。使用外擴(kuò)ADIAD7656芯片來實現(xiàn)多路監(jiān)測采樣，可廣泛應(yīng)用于輸電線路監(jiān)測系統(tǒng)、儀表和控制系統(tǒng)等。
1．2 LPCI768芯片電路
    硬件系統(tǒng)中，LPC1768FBD1OO作為主控芯片，其主頻最高為100 MHz。LPC1768有3種時鐘來源：
    ①osc-clk，片外時鐘(主振蕩器)輸入，外部晶振工作在(1～25 MHz)。
    ②rtc-clk，實時時鐘頻率輸入，實時時鐘本身需要1個外部晶振(1～32．768 kHz)。
    ③irc-clk，內(nèi)部振蕩時鐘(標(biāo)稱頻率4 MHz)，在上電和片上復(fù)位時使用irc時鐘，待軟件配置其他時鐘輸入；irc-clk達(dá)不到USB接口時間基準(zhǔn)精度要求，要使用USB功能，必須外接更高精度晶振。

    圖1為RTC時鐘時域的總體設(shè)計框圖。使用12MHz的外部晶振，通過鎖相環(huán)倍頻后，以96MHz運(yùn)行。RTC時鐘輸入RTCXl、RTCX2，外接32.768 kHz晶振，采用獨立3．3 V電池供電，Vbat輸入端接二極管，防止電池反接造成芯片燒毀。芯片采用3．3 V供電，數(shù)字和模擬之間用O Ω電阻或者合適值的電感(電感值大小和電路設(shè)計本身有關(guān))隔開。
    JTAG仿真口接法如圖2所示。

    ADI公司的AD7656有多種數(shù)據(jù)傳輸方式可供配置，相對于LPC1768豐富的串行傳輸方式和很少的I／0數(shù)量，并行傳輸要占用16位或8位數(shù)據(jù)線，占用資源太多。使用帶有8幀4～16位可配置FIFO的SSP總線，使其運(yùn)行在SPI模式下。
    LPCI768的SSP同步串行控制器，占用4個引腳：
    ①SCK，串行時鐘線。作為同步時鐘信號，主機(jī)驅(qū)動，從機(jī)接收，可配置高、低有效只在傳輸過程中有效；對應(yīng)引腳為P0．15或P1．20(SSP0使用)，PO．7或P1．31(SSPl使用)。
    ②SSEL，幀同步／從機(jī)選擇信號。主機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時都會驅(qū)動該信號，在多個從機(jī)情況下，可作為片選信號使用；對應(yīng)引腳為P0．16或P1．21(SSP0使用)，P0．6(SSP1使用)。
    ③MISO，Master In Slave Out。當(dāng)SSPn作為主機(jī)時，該引腳作為串行數(shù)據(jù)輸入；SSPn作為從機(jī)時，該引腳作為串行數(shù)據(jù)輸出線；SSPn是從機(jī)且未被SSEL選擇時，引腳處于高阻態(tài)。對應(yīng)引腳為PO．17或Pl．23(SSP0使用)，P0．8(SSP1使用)。
    ④MOSI，Master Out Slave In。SSPn是主機(jī)時，串行數(shù)據(jù)從該引腳輸出；SSPn是從機(jī)時，該引腳接收主機(jī)輸入的數(shù)據(jù)。對應(yīng)引腳為PO．18或P1．24(SSP0使用)，P0．9(SSPl)。
1．3 AD7656芯片電路
    AD7656工作電路如圖3所示，VDD與VSS是芯片模擬量輸入部分的電源，使用+12 V和-12 V(可用電壓范圍為9．5～16．5 V的電源)供電，并使用0．1μF電容和10μF電解電容與模擬地隔開；AVCC與AGND是芯片ADC核心的工作電源，使用+5 V電源供電，兩者之間同樣要用0．1 μF電容和10μF電解電容隔開；AVCC與DVCC相差不能大于0．3 V，就算短時間內(nèi)相差大于O．3 V，也會出現(xiàn)錯誤的測量結(jié)果；VDRIVE引腳是邏輯電源輸入，可以根據(jù)不同的控制芯片或總線電平，來接不同的邏輯電平，配合LPC1768芯片3．3 V的電平，使用3．3 V電源，并用0．1μF電容和10 μF電解電容與DGND隔開；REFCAPC／B／A分別用O．1 μF電容和10 μF電解電容與模擬地隔開。

    RANGE接高電平，量程為±2×VREF，接低電平，量程為±4×VREF；選擇串行模式下，接高電平3.3V，接DGND；串行數(shù)據(jù)只使用A口傳輸，SEL-A接高電平3．3 V，SEL-B、SEL-C接DGND；不使用菊花鏈功能，將DCIN-C、DCIN-B、DCIN-A引腳接DGND；引腳接高電平3．3 V，持續(xù)工作在標(biāo)準(zhǔn)模式下，接低電平為待機(jī)狀態(tài)；CONVST-A／B／C接LPC1768的MATl．1，有定時器1的比較器輸出翻轉(zhuǎn)電平控制A／D轉(zhuǎn)換；BUSY引腳在轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束為高電平，接LPC1768的EINT3，捕獲轉(zhuǎn)換結(jié)束下降沿；SCLK接LPC1768的SSP0的SCK0引腳(選用P1．20)；SDATA接LPC1768的SSP0的MISO0引腳(選用P1．23)。

2 軟件設(shè)計
    在電力系統(tǒng)監(jiān)測中，許多時候要用到三相電壓電流采樣，并對每個周期取128個采樣值。使用定時器1產(chǎn)生比較中斷，使用比較中斷的引腳翻轉(zhuǎn)功能，比較值為20 ms／(128×2)，即實際采樣周期為2×20 ms／(128×2)=20ms／128。當(dāng)比較輸出翻轉(zhuǎn)至高電平時，CONVST-A／B／C
置高，開始采樣，同時BUSY引腳電平置高；轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY引腳置低，EINT3設(shè)置下降沿中斷，捕獲其下降沿，進(jìn)入中斷；中斷服務(wù)程序讀取RTC值和打開SSP0讀取ADC值，程序流程如圖4所示。

2．1 RTC實時時鐘程序
    LPC1768 RTC擁有秒、分、小時、日期值(周期為月、值1～31)、星期值、日期值(周期為年、值1～365)、月值、年值寄存器，對每個寄存器設(shè)置需要的值。RTC中斷分為2種——計數(shù)器增量中斷(CIIR)和報警中斷。
    計數(shù)器增量中斷：RTC中8個寄存器，使能任意一個時間值的中斷(秒中斷、分中斷等)，那么該時間值計數(shù)器每增加1次，就產(chǎn)生1次中斷；
    報警中斷：使能8個寄存器的任意一個或者幾個計數(shù)中斷使能，當(dāng)所有未屏蔽寄存器的值與當(dāng)前時間寄存器的值匹配時，產(chǎn)生中斷。
    RTC功能模塊框圖如圖5所示。

    下面是秒增量中斷的例子。

2．2 AD7656與LPC1768 SSPO通信程序
    配置LPC1768 SSP0為SPI模式，每幀傳輸16位數(shù)據(jù)，自動接收6幀數(shù)據(jù)。程序如下：

結(jié)語
    本文介紹了基于ARM Cortex-M3的芯片LPC1768FBl00和16位A／D芯片AD7656的工作原理，設(shè)計了基于AD7656與LPC1768串行通信的采樣系統(tǒng)，實現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)帶上時標(biāo)的設(shè)計，對監(jiān)控系統(tǒng)獲得實時狀態(tài)提供了可行方案。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)在線監(jiān)測。由于工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境，該系統(tǒng)在精度和穩(wěn)定性方面有待于提高。