多通道数据采集系统 [基于ADS8556的六通道高速数据采集系统设计]

　　在数据采集系统中，高性能的DSP能够满足算法结构复杂、运算精度高、速度快的要求，CPLD具有内部延时小、速度快、全部逻辑由硬件完成等优点，因此，本系统设计了一种基于DSP+CPLD的高速信号采集系统，选用DSP芯片TMS320F2812（以下简称2812）作为核心处理器，EPM240T做逻辑控制元件。AD芯片采用美国TI公司的ADS8556，它是16位6通道可以同时采样的模数转换器。本文详细介绍了基于ADS8556的六通道高速数据采集系统的软硬件设计。ADS8556的特点及其工作原理
　　1ADS8556的特点
　　ADS8556是16位高精度A/D，各自基于连续逼近寄存器原理，构架是基于电荷再分配原理，具有采样保持功能。
　　ADS8556包括6个16位模数转换器（ADC），6个模拟输入组成3个通道组，这些通道组可以并行采样，保留了信号的相对相位信息。独立的转换开始信号可以控制每个通道的转换，可以是4个通道或者是6个通道一起转换。器件支持单端、差分模拟输入信号，范围可以是±4Vref或者±2Vref，最大输入电压可以达到±12V，其中Vref为内部参考电压，可取2.5V或3.0V。ADS8556可以工作在硬件模式或软件模式，硬件模式下，器件功能通过引脚接口配置；软件模式下，功能设置将只能通过其内部32位控制寄存器进行，对应的引脚设置将被忽略。ADS8556提供一个可选择的并行或串行接口，其中，并行接口模式下采样速率可达到630kSa/s。ADS8556的数据可以采用8位或16位传送方式。
　　2ADS8556的工作原理
　　ADS8556有两种接口模式，本文中采用并行接口模式的16位传送方式。下面对它的工作原理进行分析。
　　在进行模数转换时，转换信号COV_A/B/C用来控制2通道或4通道或6通道ADC进行同时采样。如果将COV_A/B/C3个引脚连接在一起，即6个ADC使用同一转换信号，就可以对6个ADC进行同步采样。选择ADC在COV_X的上升沿置为保持模式，并开始转换。转换信号上升沿过后，ADC开始转换，转换期间BUSY信号保持高电平，转换完成时间为1.26μs，转换结束BUSY信号返回低电平。BUSY信号的下降沿触发ADC的跟踪模式，通过16位并行接口从输出寄存器将数据读出。读取数据时，片选信号/CS先置低，读信号/RD每变低一次，DSP从16位总线上读取1个通道的数据，需要读取6次将6通道数据读走，16位并行接口模式读取时序如图1所示。系统硬件设计
　　1前置放大电路
　　ADS8556的输入通常由一个运算放大器驱动，以确保采集时间内正确的稳定调节。就驱动能力、噪声和偏移性能而言，TI的OPA2211可达到确保高输入信号质量所必需的诸多要求。本文中采用OPA2211放大器作A/D的前置放大。
　　将2812的地址线XA0、XA1、XA2和/XCS0分别连接至EPM240T的IO口上。/XCS0对应的地址映射为0x002000-0x003FFF，2812对这个区域的地址进行访问时，相应片选端/XCS0被置为低电平，地址线上出现所要读取或者写入的地址。为了节省映射空间，本文设计通过EPM240T对/XCS0和XA1、XA2进行地址译码来实现对ADS8556的控制。ADS8556的片选信号/CS、复位信号/RST分别连接到EPM240T的IO口上，3通道组的启动转换信号CONV_X连接到一起并和EPM240T的IO口连接，用来启动6通道的同步转换。2812的外部中断INT1连接BUSY信号，单次转换结束后，BUSY信号变低，向2812申请中断。2812的读信号/XRD与ADS8556的读信号/RD相连接，用来读取转换结果。将ADS8556的16位数据线和TMS320F2812的16位数据线直接相连。
　　ADS8556需要4个独立的供电电源：ADC的模拟供电AVDD，数字接口的IO供电，模拟输入的高电压供电HVDD和HVSS。AVDD为内部ADC提供电源，本文设置为5V。高压供电(HVSS和HVDD)用来为模拟输入供电，本文将HVDD设置为12V，HVSS设置为-12V。ADS8556连接外围电路时，在AVDD、BVDD和HVSS引脚须接10μF和0.1μF电容组成去耦电路，为达到好的去耦效果，电容要尽量靠近器件。BVDD供电仅用于驱动数字IO缓冲器，范围为2.7～5.5V。本文将其连接至3.3V，在DSP的数据总线和ADS8556的16位数据总线相连接时，DSP的接口电压为3.3V，ADS8556的接口电压也为3.3V，不需要进行电平匹配，方便电路的连接。ADS8556其他关键引脚的连接及其功能如表1所示。
　　3数据存储设计
　　TMS320F2812具有128KB的FLASH空间，而其内部SARAM数据存储空间只有18KB，在高速数据采集系统中，由于在线采集的数据量比较大，因此需要对2812的数据存储空间进行外部扩展。
　　本文选择IS61LV25616作为数据存储器，它是一个高速的SRAM，由高性能CMOS技术制造而成，供电电压为3.3V，其空间大小为256K×16。IS61LV25616与2812的接口电路如图4所示，/CE片选信号引脚接2812的/XCS6片选信号，其映射地址空间范围为0x1000000x180000；/OE、/WE为低电平有效，分别与DSP的读写引脚相连接；地址线A[17:0]与2812地址线XA[17:0]相连，16位数据总线与DSP的XD[15:0]数据总线连接，完成
　　unsignedintAD_DATA_CH4[20000];
　　#pragmaDATA_SECTION(AD_DATA_CH4,".ad_data_ch4")
　　unsignedintAD_DATA_CH5[20000];
　　#pragmaDATA_SECTION(AD_DATA_CH5,".ad_data_ch5")
　　unsignedintAD_DATA_CH6[20000];
　　#pragmaDATA_SECTION(AD_DATA_CH6,".ad_data_ch6")
　　本设计将AD转换的数据，存储到外部SRAM中，因此需要将存放采集数据的数组定义在SRAM对应的地址映射空间，通过CMD文件编写MEMORY和SECTION指令对DSP存储空间进行配置。MEMORY中定义SRAM对应的映射空间的语句如下：
　　EXRAM:origin=0x100000,length=0x080000
　　SECTION中将存放6通道数据的数组分配到EXRAM中，语句如下：
　　.ad_data_ch1:>EXRAM,PAGE=1
　　.ad_data_ch2:>EXRAM,PAGE=1
　　.ad_data_ch3:>EXRAM,PAGE=1
　　.ad_data_ch4:>EXRAM,PAGE=1
　　6通道数据写入外部SRAM对应的地址空间，由于在测试时将数据线上没有数据，默认为0xFFFF，在编写程序时让每个地址对应的数据分别减去1、2、3、4、5、6，从而得到0xFFFE、0xFFFD、0xFFFC、0xFFFB、0xFFFA、0xFFF9。从CCS3.3的MEMORY窗口查看写入数据的结果是否正确。其中通道1和通道2的写入数据结果如图8所示。
　　由图8可以看出，2812相应中断后在3.56μs的时间内完成了读取6通道数据，并将其准确存入了外部SRAM中，显示结果正确。而一次AD转换的时间为1.26μs，可见在一个5μs的采样读取周期内能够完成数据的转换与存储，而且时间上还有剩余。由以上测试可知，在每通道采样速率200kSa/s的要求下，本系统可以正常工作。
　　本设计利用新型的模数转换芯片ADS8556，结合DSP数据处理速度快和CPLD并行处理能力强的特点，设计了能够实现6通道数据同步采集的高速数据采集系统，并对系统的采集速度进行了测试，证明其在每通道采样速率200kSa/s下可以正常工作。本系统接口电路简单，控制方便，可以应用到多种模拟信号的采集系统。