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[導(dǎo)讀]現(xiàn)在很多測控系統(tǒng)為了提高抗干擾的能力,傳感器輸出信號多為3線制的差分信號 ,而且電壓范圍也不同,通常采用的方法是把差分信號通過復(fù)雜電路進行處理后再進行數(shù)據(jù)采集,這樣不僅增加了硬件成本,還使系統(tǒng)的精度降低。為了解決此問題,設(shè)計了基于DSP和 LTC1859的16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),詳細介紹了軟硬件設(shè)計,提供了實用的原理圖和源代碼。此系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)多路的單端輸入 ,還可以實現(xiàn)多路差分信號的輸入,成本低,精度高,抗干擾性好。

0引言
現(xiàn)在很多測控制系統(tǒng)為了提高抗干擾的能力,傳感器輸出信號多為 3線制的差分信號,如航空舵機的控制系統(tǒng) ,通常采用的方法是把差分信號通過復(fù)雜電路處理再進行數(shù)據(jù)采集 ,這樣不僅增加了硬件成本,還降低系統(tǒng)精度。本系統(tǒng)設(shè)計的基于 DSPLTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,不僅可以實現(xiàn)多路的單信號輸入 ,還可以實現(xiàn)多路差分信號的輸入 ,對輸入的信號的范圍可以通過軟件滿足不同的要求,真正實現(xiàn)差分輸入抑制共模噪聲。
 LTC1859是凌力爾特公司最新推出的一款高性能的 8通道、 16位、100ksps的 AD轉(zhuǎn)換器,每個通道可通過軟件實現(xiàn) 0~5V,0~10V,0~±5V,0~±10V的不同范圍的輸入電壓,同時還可以實現(xiàn)單輸入和差分信號輸入的選擇,可承受至 ±25V的故障保護。LTC1859的多路復(fù)用器可以配置為接受 4個差分輸入、 8個單端輸入、或差分與單端輸入的組合。該器件提供了卓越的 DC性能,具有在整個溫度范圍內(nèi)的 15位無漏失碼和±3 LSBMAX INL。LTC1859具有較好的失調(diào)、滿標(biāo)度增益和通道至通道匹配。適用于多通道高分辨率應(yīng)用,如儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)過程控制。它與 CPU之間采用的 SPI總線通信。LTC1859用單 5V電源工作,同時僅消耗 40mW功率。LTC1859還具有溫度系數(shù)為 ±10ppm/oC的 2.5V內(nèi)部基準(zhǔn),如果需要較高的準(zhǔn)確度,還可以從外部驅(qū)動。對于那些對功耗敏感的應(yīng)用, LTC1859提供了兩種斷電模式,在基準(zhǔn)仍保持運行狀態(tài)時功耗降至 27.5mW(打盹模式),或基準(zhǔn)完全斷電時功耗降至 40uW(休眠模式)。LTC1857和 LTC1858分別是引腳兼容的 12位和 14位器件。本系統(tǒng)的 CPU為 TI公司的 TMS320C2407A,主頻可達 40MHZ,它有標(biāo)準(zhǔn)的 SPI總線,豐富的外設(shè),非常適合與 LTC1859構(gòu)成高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計了由 2塊 LTC1859構(gòu)成 8通道的差分信號輸入,也可以實現(xiàn) 16通道的單路信號輸入,或者它們之間的組合,詳細電路如圖 1。本電路具有通用性,在實際應(yīng)用中性能穩(wěn)定,效果很好。下面針對 LTC1859芯片引腳對對電路進行詳細分析。
CH0~CH7是8路模擬輸入通道,在本系統(tǒng)中構(gòu)成了4路差分輸入信號,每路差分輸入信號接3000P的濾波電容去干擾。 MUXOUT+、MUXOUT-為模擬復(fù)用器的正負輸出,把它們連在ADC+、ADC-上進行正常操作。 Vref為2.5V的基準(zhǔn)電壓輸出。 ODD為數(shù)字輸出緩沖器的電源,這樣使SPI總線上的數(shù)字信號的電壓等于 ODD的接入電壓,本系統(tǒng)采用的 DSP2407,它對輸入的數(shù)字信號要求為3.3V,所以這里接的 3.3V電壓,就不需要另加電平轉(zhuǎn)換電路。 BUSY為輸出轉(zhuǎn)換器的狀態(tài),當(dāng)正在轉(zhuǎn)換中為低,轉(zhuǎn)換結(jié)束變高,連在 DSP的I/O口上, SDO為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸出,接在 DSP的SPISOMI引腳上,SDI為SPI總線的串行數(shù)據(jù)輸如,接在DSP的SPISIMO引腳上 ,SCK為SPI總線的時鐘,接在DSP的SPICLK上。RD為引腳SDO數(shù)字輸出的能使信號,當(dāng) RD為低能使輸出,當(dāng) RD為高SDO為高阻抗,該引腳接在 DSP的I/O口上,由于 LTC1859沒有片選信號,為了讓多片 LTC1859在總線上不發(fā)生沖突,把要工作的 LTC1859的RD置為低,把要沒工作的LTC1859的RD置為高。CONVST為啟動轉(zhuǎn)換引腳。其它引腳分別接電源、數(shù)字地、模擬地,就不再詳細介紹。

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圖 1 硬件系統(tǒng)圖 Fig1 Hardware system configuration
2軟件設(shè)計
由于采用標(biāo)準(zhǔn) SPI總線通信,軟件的關(guān)鍵是 DSP和 LTC1859之間的時序匹配,首先介紹 LTC1859軟件配置。
2.1  LTC1859不管是在發(fā)送系統(tǒng)中還是接收系統(tǒng)中,都是在 SCK的下降沿傳輸,上升沿被捕獲,這就要求 DSP在進行 SPI初始化時采用上升沿?zé)o延時模式。8位的控制字通過 SDI輸入,用于配置 LTC1859以進行下一個轉(zhuǎn)換,同時前一個轉(zhuǎn)換輸出在 SDO上輸出,在數(shù)據(jù)交換的末端在 CONVST上施加一個上升沿啟動被請求的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后,轉(zhuǎn)換結(jié)果將在將在下一個數(shù)據(jù)傳送周期提供。LTC1859的 8位命令控制字在首 8個 SCK的上升沿按時間順序記錄到 SDI輸入中,SDI隨后的輸入的位被忽略。控制字的 8位定義如表 1 
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其中復(fù)用器通道選擇如表 2 
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[!--empirenews.page--]其中輸入范圍選擇如表 3
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2.2下面詳細介紹軟件編寫,考慮到 SPI總線的時鐘很快,采用查詢方式,其軟件流程如圖 2,這里只介紹 LTC1859(1)的流程及源代碼,其它原理都一樣。

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圖 2流程圖 Fig2 Flow chart
程序源代碼及其詳細注釋:
void SPIAD_Init()
{   MCRB=MCRB | 0x001C; // SPISIMO,SPISOMI,SPICLK特殊功能方式  SPICCR=0x000F;  // 16bit數(shù)據(jù), 上升沿?zé)o延時模式  SPICTL=0x0006; //禁止中斷  SPIBRR=0x0004; // 8M波特率 ,40M/5=8M   SPICCR=SPICCR | 0x80;
}
void ADLTC()
{   PADATDIR=PADATDIR|0x1010;  //將 A4即 LTC2RD置高  PADATDIR=PADATDIR&0xFFFD;  //將 A1即 LTC1RD置低  PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE;  //將 A0即 LTC1CON(CONVST)置低 PADATDIR=PADATDIR|0x0101; //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動轉(zhuǎn)換  asm(" NOP ");    while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低  PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE; //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低  while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 SPITXBUF=(0x0004<<8);  // 輸入通道 1控制字,當(dāng) LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成 ,則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字  while((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
  SPIRXBUF=SPIRXBUF;  PADATDIR=PADATDIR|0x0101;  asm(" NOP ");    while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000);PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE;         
  while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004);  SPITXBUF=(0x0014<<8);
  while((SPISTS&0x0040)!=0x0040);
  /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/  //將A0即LTC1CON(CONVST)拉高啟動轉(zhuǎn)換
 //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉低 //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高 //輸入通道 2控制字,當(dāng) LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成,則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字 //等待總線傳輸
ADINRESULT[4]=(0x0FFF&SPIRXBUF);   /*保存轉(zhuǎn)換結(jié)果 */   SPIRXBUF= SPIRXBUF; /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/  PADATDIR=PADATDIR|0X0101; //將 A0即 LTC1CON(CONVST)拉高啟動轉(zhuǎn)換 asm(" NOP ");  while((PADATDIR&0x0004)!=0x0000); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低 PADATDIR=PADATDIR&0xFFFE;  //A2即 LTC1BUSY(BUSY)變低后再將
A0即 LTC1CON(CONVST)拉低  while((PADATDIR&0x0004)!=0x0004); //等待 A2即 LTC1BUSY(BUSY)變高  SPITXBUF=(0x0024<<8);  //輸入通道3控制字當(dāng)LTC1BUSY變高說明轉(zhuǎn)換完成,
則可寫入下次轉(zhuǎn)換的命令字
  while((SPISTS&0x0040)!=0x0040); //等待總線傳輸
ADINRESULT[5]=SPIRXBUF; /*保存轉(zhuǎn)換結(jié)果 */
  SPIRXBUF=SPIRXBUF;  /*虛讀寄存器以清除中斷標(biāo)志*/
 ……………………………………………通道 3、4的轉(zhuǎn)換程序原理一樣 }
3 結(jié) 論

本文作者創(chuàng)新點是成功實現(xiàn)了基于 DSP和 LTC1859的 16位高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),給出了全新實用的硬件和軟件設(shè)計,特別適合差分信號和電壓范圍變化較大的系統(tǒng)該設(shè)計,對與 LTC1859與其它的 CPU的設(shè)計也有很大的參考價值。該系統(tǒng)性價比高,具有一般通用性能,有一定的應(yīng)用推廣價值。

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