基于CPCI總線的智能A/D，D/A模塊設(shè)計

0 引 言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，為了實現(xiàn)采集和控制功能，經(jīng)常會使用到A／D，D／A模塊。在實際使用中A／D，D／A模塊和主機之間通信方式可以有很多選擇。比如RS 232，RS 422，網(wǎng)絡(luò)等接口方式。在該設(shè)計中A／D，D／A模塊通過CPCI總線與主機通信，通過A／D接口采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過伺服控制軟件處理，輸出模擬量驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。

從而實現(xiàn)一個閉環(huán)的控制。另外通過對DSP軟件的修改，該模塊還可以單獨實現(xiàn)A／D或者D／A功能。

該設(shè)計中A／D，D／A模塊具備以下功能：

(1)提供2路16位A／D，輸入信號范圍±5 V，精度要求小于士16 LSB；

(2)提供2路16位D／A，輸出信號范圍±5 V，精度要求小于土8 LSB，受系統(tǒng)復(fù)位控制；

(3)使用TI公司DSP(TMS320VC33)作為板載處理器，該DSP主要實現(xiàn)管理A／D和D／A、運行控制算法、與主機通信功能，并受系統(tǒng)復(fù)位控制；

(4)DSP與主機采用雙口RAM(IDT7133)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換功能。

1 設(shè)計原理

如圖1硬件結(jié)構(gòu)框圖所示，該模塊采用TI公司高性能CPU器件TMS320VC33為核心。模塊通過PCI9052芯片與CPCI總線連接，PCI9052的本地總線的信號連接到雙口RAM的一端。雙口RAM的另一端通過電平緩沖器連接DSP。


DSP核心電路包括DSP芯片TMS320VC33、數(shù)據(jù)RAM CY7C1041VC33、程序FLASH芯片SST39VF800A組成；DSP的地址、數(shù)據(jù)、控制總線通過電平緩沖器件連接雙口RAM、A／D芯片、D／A芯片、CPLD。DSP通過雙口RAM芯片與主控計算機進行數(shù)據(jù)交換；A／D芯片的初始化以及讀寫操作也由DSP負責(zé)完成；DSP控制D／A芯片輸出模擬信號；CPLD內(nèi)部主要實現(xiàn)組合邏輯功能，將DSP輸入的控制信號譯碼，然后輸出給雙口RAM以及A／D，D／A等功能芯片使用。

雙口RAM芯片是實現(xiàn)智能板的重要組成，由于DSP與主控計算機的地址空間資源是分別進行獨立分配的，無法直接進行互相訪問，在兩者之間需要一個數(shù)據(jù)緩沖，雙口RAM的特點使其可以滿足這個要求。

2 實現(xiàn)方法

2．1 主要原器件選擇

在該設(shè)計中采用成熟技術(shù)，選用常用、可靠的控制芯片，結(jié)合一些常用的外圍電路和專用電路實現(xiàn)全部的功能。即選擇PC19052作為接口芯片，利用該芯片實現(xiàn)PCI總線從接口邏輯。

選擇TMS320VC33作為板載處理芯片，該芯片是TI公司推出的專門用于實現(xiàn)浮點運算的高性能DSP，數(shù)據(jù)處理能力強，并且包含豐富的外圍電路擴展接口。

為了實現(xiàn)模塊上的電平轉(zhuǎn)換功能，選擇應(yīng)用比較廣泛SN74ALVC164245DL作為電平轉(zhuǎn)換緩沖芯片。

2．2 PCI9052與雙口RAM硬件接口實現(xiàn)

如圖2所示PCI9052與雙口RAM連接的本地總線信號包括地址、數(shù)據(jù)、控制信號3個部分。地址總線寬度為12位，數(shù)據(jù)總線寬度為16位，因此尋址空間為2 KB的16 b地址空間。控制信號包括讀寫控制信號和外設(shè)準(zhǔn)備完成信號，當(dāng)雙口RAM將外設(shè)準(zhǔn)備完成信號拉低后，主機就可以通過輸出讀寫控制信號對雙口RAM進行讀寫的操作。

2．3 DSP設(shè)計核心電路設(shè)計

DSP是整個設(shè)計核心，DSP核心電路由DSP芯片、FLASH和RAM三個部分組成。DSP通過雙口RAM與處理計算機交換數(shù)據(jù)。

如圖3所示，DSP核心電路設(shè)計如下所述。DSP的電源包括核心工作電壓1．8 V與I／O電壓3．3 V兩種，分別由板上電源模塊提供。時鐘信號由外接晶振提供。復(fù)位信號由CPLD提供，由于DSP的I／O電壓為3．3 V，在與I／O電平標(biāo)準(zhǔn)為+5 V的信號連接時需要進行3．3～5 V之間的電平轉(zhuǎn)換。中斷信號同樣通過電平轉(zhuǎn)換器件連接到CPLD。地址和數(shù)據(jù)總線根據(jù)實際設(shè)計的需要連接功能器件。JTAG接口連接到模塊的一個標(biāo)準(zhǔn)的雙列14腳直插連接器上。Page0～3信號通過電平轉(zhuǎn)換器件連接到CPLD。


2．4 電源設(shè)計

系統(tǒng)電源包括+5 V．3．3 V，1．8 V，+15 V，-15 V。

DSP芯片核心電壓為1．8 V，I／O電壓為3．3 V，所以需要該板提供3．3 V和1．8 V兩個電壓源。D／A芯片需要提供+15 V，-15 V兩種電源。+5 V電源是由系統(tǒng)提供，其他的電源均由+5 V電源轉(zhuǎn)換獲得。

對于線性穩(wěn)壓來說，其特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入／輸出壓差可以很大，但其致命弱點就是效率低，功耗高。DC-DC電路的特點是效率高，升降壓靈活，缺點是干擾和紋波較大。

對比凌特公司、國家半導(dǎo)體公司、德州儀器公司等的同類型電壓轉(zhuǎn)換芯片，選取德州儀器公司的TPS73HD318模塊作為3．3 V和1．8 V電壓轉(zhuǎn)換芯片。選用RECOM公：REC3-0515DRW完成+5 V和+15 V，-15 V之間電壓轉(zhuǎn)換。他們具有90％以上的轉(zhuǎn)換效率、簡單的外圍電路、更小的封裝、2．5％以下的紋波電壓等特點。

2．5 復(fù)位設(shè)計

如圖4所示，復(fù)位的輸入包括兩個部分：MAX1232輸出的RESETA和電源芯片TPS73HD318輸出的RESETB。MAX1232的輸入為手動復(fù)位信號輸入和看門狗喂狗信號輸入。手動復(fù)位信號來自復(fù)位按鈕，喂狗信號來自CPLD。復(fù)位輸出2個信號分別給DSP，D／A使用。

2．6 電平轉(zhuǎn)換設(shè)計

由于DSP的接口電平為3．3 V，CPLD和PC19052接口電平為5 V，為了將兩部分兼容起來，需要使用電平轉(zhuǎn)換緩沖芯片。如圖5所示該器件有兩個供電電源、兩個方向控制端、兩個使能端。通過連接不同的電壓源可以為器件的信號引腳提供不同的電平。


2．7 A／D，D／A設(shè)計

A／D和D／A芯片通過電平緩沖期間與DSP的地址數(shù)據(jù)總線連接，由DSP芯片負責(zé)A／D和D／A的初始化以及讀寫控制。

3 CPLD邏輯設(shè)計

CPLD片內(nèi)邏輯實現(xiàn)描述框圖見圖6。在CPLD內(nèi)部主要實現(xiàn)了三個的功能，與DSP總線的邏輯接口、內(nèi)部的寄存器、控制邏輯。


與DSP總線的接口邏輯實現(xiàn)與DSP邏輯接口，使DSP對CPLD的內(nèi)部寄存器可以進行訪問。狀態(tài)寄存器為只讀寄存器，用來讀取中斷狀態(tài)、與雙口RAM進行通信的標(biāo)志位等信息；控制寄存器為只寫寄存器，用來控制中斷屏蔽、修改通信的標(biāo)志位。組合邏輯主要用來進行地址譯碼、讀寫譯碼。

4 DSP軟件設(shè)計

DSP軟件開發(fā)主要是在TI提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS下，充分利用實時操作系統(tǒng)DSP／BIOS的強大功能，結(jié)合自己特定的處理算法．快速構(gòu)筑一個滿足需求的高效率的軟件系統(tǒng)。在設(shè)計中，對DSP的初始化是必須的，該設(shè)計主要應(yīng)用于實時控制系統(tǒng)中，其電路的主要功能是用于采集、運算、輸出。程序流程圖如圖7所示，上電后存儲在FLASH內(nèi)的程序開始運行，DSP開始依次初始化RAM存儲器、CPLD內(nèi)部寄存器、A／D寄存器、D／A寄存器。初始化完成后開始讀取A／D輸入，由于A／D轉(zhuǎn)換速度比讀取的速度慢，在讀取過程中需要查詢A／D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，等待A／D芯片輸出轉(zhuǎn)換完成信號。將讀取的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM的指定位置，并刷新雙口RAM和CPLD內(nèi)部的標(biāo)志位，通知主機讀取數(shù)據(jù)。對A／D數(shù)據(jù)進行運算，根據(jù)運算結(jié)果控制D／A輸出，等待查詢D／A轉(zhuǎn)換完成之后，程序再次跳轉(zhuǎn)至讀取A／D。


5 結(jié) 語

將該設(shè)計用于某一伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能，同時對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性給予了足夠的關(guān)注。經(jīng)長時間考核，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。


發(fā)布者：博子