12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7864在電網(wǎng)諧波分析儀中的應(yīng)用分

第一種是地址模式，在(A2 Al A0)=從000到101時(shí)，可以直接對(duì)特定的通道尋址。該通道的地址在RD的下降沿之前應(yīng)保持至少10 ns，并且只要RD為低就不能改變。

　　第二種是循環(huán)模式，在(A2 A1 AO)=110時(shí)，接口以循環(huán)模式工作。此時(shí)，數(shù)據(jù)在第一個(gè)RD信號(hào)時(shí)從通道AO讀取，接著是通道A1，隨后是B0、B1、CO，最后是Cl(再次讀取A0之前)。在一個(gè)復(fù)位信號(hào)之后或者對(duì)器件上電之后，通道A0的數(shù)據(jù)首先輸出。

　　第三種是FIFO模式，在(A2 A1 A0)=11l時(shí)，該模式中，先讀取首先被轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。此時(shí)，如果某個(gè)特定的通道最受關(guān)注、轉(zhuǎn)換較頻繁(例如，獲取特定通道的歷史記錄)，則每個(gè)通道就有3個(gè)輸出寄存器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　ADS7864的輸出為16位，12位輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DBll(最高有效位)到DB0(最低有效位)。當(dāng)DBll～DB0輸出有效數(shù)據(jù)時(shí)，DBl5為l。這點(diǎn)對(duì)于FIFO模式非常重要。在DBl5變?yōu)镺之前可以讀取有效數(shù)據(jù)。DBl4、DBl3、DBl2輸出通道地址，其具體信息與表2中A2、A1、AO的地址設(shè)置相對(duì)應(yīng)。

　　為了增加設(shè)計(jì)的靈活性，ADS7864支持不同寬度的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)寬度控制端BYTE被置為高電平時(shí)，ADS7864的16位數(shù)據(jù)輸出端直接與16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連；當(dāng)BYTE端被置為低電平時(shí)，可以與8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接，在第一個(gè)RD信號(hào)時(shí)低8位數(shù)據(jù)在輸出引腳DB7到DB0上讀取，第二個(gè)RD信號(hào)時(shí)則讀取高8位數(shù)據(jù)。

4 在電網(wǎng)諧波分析儀中的應(yīng)用

　　電網(wǎng)諧波分析需要采集的數(shù)據(jù)包括三相線(xiàn)路的電壓、電流共6個(gè)量(對(duì)于每條輸電線(xiàn)路)，在以往的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用MAXl97進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是MAXl97不具備多通道同時(shí)采樣保持功能，在轉(zhuǎn)換時(shí)不能保證6個(gè)模擬量采樣時(shí)間的一致性，影響了諧波分析的準(zhǔn)確性。

　　在諧波分析儀的設(shè)計(jì)中，使用了TI公司的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F206(采用20 MHz有源晶體振蕩器作為外部時(shí)鐘)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集控制和分析，由于DSP需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行每周期64點(diǎn)的連續(xù)FFT變換，運(yùn)算比較復(fù)雜，所以最理想的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)應(yīng)該為12位，留出4位作為運(yùn)算時(shí)的溢出保護(hù)位，而不需要在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中頻繁地進(jìn)行歸一化處理。由于12位精度的ADS7864具有6通道同時(shí)保持放大、適中的轉(zhuǎn)換速率與精度以及雙極性輸入等特點(diǎn)，非常適用于電網(wǎng)諧波分析儀的數(shù)據(jù)采集。TMS320F206(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F206)與ADS7864的接口示意圖如圖3所示。

　　在許多相關(guān)文獻(xiàn)中，為保證DSP運(yùn)行速度與A/D轉(zhuǎn)換器響應(yīng)速度相匹配，往往采用片內(nèi)I/O口與A/D轉(zhuǎn)換器接口，依靠軟件實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的片選(CS)與數(shù)據(jù)讀取控制(RD)，這種方式雖然可保證操作的可靠性，但同時(shí)也占用了DSP上的I/O口資源，而且具有接口連接的A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)量非常有限。

　　經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，在電網(wǎng)諧波分析儀的硬件設(shè)計(jì)中F206與ADS7864仍然采用了傳統(tǒng)的地址譯碼片選的接口方式，將F206的I/O空間選擇端IS與地址線(xiàn)ADl2～ADl5先輸入可編程邏輯器件GAL22V10，再輸出片選信號(hào)CS。F206的RD端直接與ADS7864的讀數(shù)據(jù)控制端RD端連接。

　　由于F206外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)為16位，可將ADS7864的輸出數(shù)據(jù)寬度控制端BYTE接地，16位輸出直接與F206的數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連。

　　由于在電網(wǎng)諧波分析中要求同時(shí)對(duì)三相電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣，所以ADS7864的采樣保持啟動(dòng)控制端HOLDA、HOLDB、HOLDC直接與F206的I01端連接，當(dāng)I01輸出低電平時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)三組6路信號(hào)的采樣保持并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
在諧波分析儀的設(shè)計(jì)中，ADS7864的數(shù)據(jù)讀取采用地址模式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由ADS7864的BUSY端通過(guò)反相器向F206的INT2端發(fā)出中斷信號(hào)，完成一次6路信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換共響應(yīng)3次中斷，在每次中斷服務(wù)程序中讀取相應(yīng)地址的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)筆者長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)體會(huì)，在DSP與A/D轉(zhuǎn)換器接口的硬件與軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，有幾個(gè)帶有共性的問(wèn)題需要引起足夠的重視：

(1)地址建立時(shí)間對(duì)接口的影響

　　在微處理器系統(tǒng)中為保證正確讀取數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD有效前，需要提前建立地址總線(xiàn)信號(hào)，這一時(shí)間稱(chēng)為地址建立時(shí)間。在40 MHz主頻時(shí)，F(xiàn)206的地址建立時(shí)間最小值為8.5 ns，而ADS7864要求的地址建立時(shí)間至少為10 ns(使用8MHz外部時(shí)鐘時(shí)，下同)。顯然，由于地址建立時(shí)間的約束，F(xiàn)206在40 MHz主頻時(shí)不能采用傳統(tǒng)的地址譯碼片選方式與ADS7864接口，為保證時(shí)序的要求，必須使用I/0口。

　　當(dāng)F206工作在20 MHz主頻時(shí)，地址建立時(shí)間為2l ns，則可以采用傳統(tǒng)的地址譯碼片選方式與ADS7864接口，這也是本文實(shí)際應(yīng)用的接口方式。

(2)數(shù)據(jù)建立時(shí)間對(duì)接口的影響

　　為保證微處理器可靠地讀取數(shù)據(jù)，在距讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD上升沿一段時(shí)間時(shí)，數(shù)據(jù)就應(yīng)穩(wěn)定地出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，這一時(shí)間稱(chēng)為數(shù)據(jù)建立時(shí)間。在A(yíng)DS7864中，要求讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD和片選信號(hào)CS在輸出數(shù)據(jù)有效前必須保持低電平至少30 ns，但是當(dāng)工作在20 MHz主頻時(shí)，F(xiàn)206的讀數(shù)據(jù)控制信號(hào)RD所能提供的數(shù)據(jù)建立時(shí)間在20 MHz主潁時(shí)最少為30 ns，顯然是不能可靠滿(mǎn)足要求的，必須使用F206的軟件狀態(tài)等待發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生等待信號(hào)以讀取數(shù)據(jù)。

　　綜上所述，在DSP與A/D轉(zhuǎn)換器的接口設(shè)計(jì)中，只要仔細(xì)分析并充分考慮DSP運(yùn)行速度與A/D轉(zhuǎn)換器響應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系，并充分發(fā)揮DSP上軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的作用，完全可以采用傳統(tǒng)的地址譯碼片選方式實(shí)現(xiàn)DSP與A/D轉(zhuǎn)換器之間的可靠接口，從而節(jié)約寶貴的I/O口資源。