论文部分内容阅读
摘要：随着工业技术的發展，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，因此一般情况下当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
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，因此一般情况下当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