基于DSP28335外设SPI总线的多种模拟量传输设计

2021-11-10 02:08吕琳
科学与生活 2021年17期
关键词:模拟量低电平时序

吕琳

摘要:随着工业技术的发展,模拟信号传输被广泛应用于设备之间的信号交互中;但是设备之间一般都是独立工作,因此需要隔离处理;本文采用了DSP28335作为主控制器件,利用其特有的SPI总线进行信号传输。完成了多种模拟量信号的隔离传递设计。该方案布线简单,不占用太多的PCB空间。并对其硬件电路以和软件设计进行了详细设计说明。最后通过实验验证表明该设计方案采样精度高,稳定可靠。

关键字:SPI总线;DSP;多种模拟量;串行通讯;

1.引言

近年来,大功率电力电子产品广泛应用与工业场合中,这些设备都需要和其他设备之间配合工作;相互之间都需要信号的传输交互,目前应用最为成熟可靠的就是模拟量的传输。比如业界通用的4~20mA输入输出;对外部温度的采样,应用比较广泛的是PT100电阻,或者是集成温湿度采样器,输入模拟量为0~5V电压;

那么选择一种传输效率高,稳定可靠,又布线简单,不占用太多PCB空间的信号交互方案是需求最为迫切的,基于SPI串行总线的信号交互方案应用于这种需求最为合适;

SPI总线(Serial Peripheral Interface),是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便。它可以使控制器与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息,现在越来越多的芯片集成了这种通信协议;SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SCK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SpiCs。

2.硬件方案设计:

2.1总体规格分析;

以下表所示需要传输的模拟列表为例:

基于DSP自带SPI总线的传输物理路径,针对多种不同模拟量之间的交互进行转换;设计优点在于模拟量隔离的灵活处理,采用这种方式,原边和副变的隔离只需要8路数字量隔离,就可以完成4路模拟量输出,最大可扩16路模拟量输入,4路模拟量输出,大大减小了模拟量采样所需要的隔离器件;

2.2SPI工作模式

其工作有两种模式:主机工作模式和从机工作模式,对于应用与AD采样环境下,选择主机工作模式。SPI在SPICLK引脚为整个通讯网络提供时钟。数据从SPISIMO引脚输出,并锁存SPISOMI引脚上输入的数据。

写数据到SPIDAT或者SPITXBUFF寄存器,启动SPISIMO引脚上的数据发送,首先发送的是最高有效位MSB;同时接收的数据通过SPISOMI引脚移入SPIDAT的低位有效位。当传输完特定的位数后,接收到的数据被发送到SPIRXBUF寄存器,以备CPU读取。数据在SPIRXBUF寄存器中采用右对其的方式存储;

2.3各个部分电路详细介绍

隔离光耦选择HCPL-M453-500E,其通讯速度可以满足1M的需求;以SpiClk为例,信号经过光耦HCPL-M453-500E隔离之后为SpiClk_A;其他信号隔离方式于此相同;信号电平为5V;

对于AD转换,选用AD7893串行AD转换芯片,前段需要用模拟开关CD4051对多路输入模拟量进行切换,在某一时刻对其中一路模拟量进行AD转换;输入到切换开关前的模拟量转换成0~2.5V信号,这是由AD7893的输入电压决定。需要对某一路模拟量进行采样,选择对应的组态值即可完成模拟量传输;或者程序中直接对所有采样通道进行循环遍历采样;其中nCONVST接SPI的SpiCs选择通道,低电平有效;SCLK接SpiClk信号,用于同步传输和AD采样;不同通道的模拟量输出DA_Data的数据格式确定。

对于MAX5250,采样数据和SPI 接口之间的关系是:nCS接SpiCs选择信号,低电平有效,SCLK接SpiClk信号,进行同步数据传输和输出模拟量。过以上设计基于SPI总线完成模拟的AD传输和DA转换。但是对于输入的模拟量必须是0~2.5V电压信号,输出也是0~5V电压信号;因此需要对这些信号进行转换;对于输入电流来说,经过采样电阻转换成电压信号,然后通过运放调整为0~2.5V电压信号; 对于电流输出,AD输出的电压范围是0~5V,需要转换成电流后才能输出。电流源由+15V_A电源提供,输出经过两个采样电阻R1,R2来反馈到输入,以控制输出电流的精度; 对于电阻采样,采用桥式采样法,电阻变化范围是80ohms到150ohms;对应温度范围是-50~100℃;由于采样阻值变化范围很小,因此输入电压变化范围也很小,变化范围为0~0.1V之间;因此必须选择零漂比较小的高精度运放OP07; 对于电压采样,直接进行分压后皆可,采用两个4.7K电阻进行分压,将电压从0~5V转换成0~2.5V;

3.软件设计及实验验证:

3.1软件设计

对于SPI的软件配置,其SpiCs需要单独控制,目的是为了DSP内部的数据发送/接受时序和AD,DA的采样时序所匹配,满足整个采样通道的通讯要求。

在时序匹配上还需要注意,由于SPI是自行发送数据,因此一般情況下当SpiCs使能后就会自行发送,而为了满足AD的时序要求以及由于模拟通道切换而造成的数据滞后的影响,因此需要对某些环节增加延时处理。

3.2DA输出测试结果

由实测波形分析计算输入数字量和输出模拟量之间的关系,输入的数字量为1000 1100,这和成十进制为48;根据MAX5250的DA转换关系理论计算是:

[2.5*(512+48)/1024]*2=2.73V;

实际测量输出电压也为2.72V;

误差为2.73-2.72=0.01V;

误差率为(0.01/2.5)*100%=0.4%

3.3AD输入测试结果

由实测波形分析输入模拟量和输出数字量之间的关系,输入模拟量为2.46V,根据AD7893的AD转换关系计算得知:

理论计算输出数字量为:2.46/0.00122=2016;

实测数字量为:0111 1110 1000,转换成十进制是:2024;

误差为2024-2016=8;转换为模拟量为8*0.00122=9mV;

误差率为(0.009/2.5)*100%=0.36%;

4实验结论:

4.1电流输出结论

AO输出测量数据列表;

4.2电流输入结论

AI输入测量数据列表:

4.3电阻输入结论

电阻采样值列表:

4.4实验总结

通过以上实验数据表明,电流输出精度可以达到0.15%;电流输出精度可以达到0.37%;电阻采样精度可以达到0.11%;采样精度高,稳定可靠。

5.结束语

经过实验测试数据分析,本文给出的方案可以精确进行模拟量之间的交互,具有采样精度高,模拟量种类多,交互总路数多,硬件电路简单,PCB布线简单的特点;设计程序简介可靠,稳定性高,实用性强;

该方案很灵活方便的应用与和外部进行多种模拟量交互的场合;极大的简化了设备之间模拟量信号交互设计。

6.参考文献:

[1]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天答谢出版社,2002.

[2]苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TMS320F1812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005:124-155

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