电力系统中多通道同步采样ADC（AD7606）与浮点DSP（ADSP-21479）通信的设计与实现

1．1  AD7606简介
 AD7606是16位，8通道同步采样模数数据采集系统。AD7606完全满足电力系统的要求，具有灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。它采用5V单电源供电，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号、同时所有通道均能以高达200kSPS的吞吐率采样。
 
图1  AD7606的内部原理框图。
 
图2  AD7606的管脚图。
• AVcc 模拟电源，4.75V~5.25V
• Vdrive 逻辑部分电源
• Vdd 模拟输入部分正电压
• Vss 模拟输入部分负电压
• DGND 数字地
• AGND 模拟地

1．2  DSP-21479" title="ADSP-21479">ADSP-21479简介
ADSP-21479是SIMD （单指令多数据）SHARC家族中的一员，它基于65nm的最新工艺，具有低成本，低功耗的的特点，是一颗集成有大容量片上SRAM和ROM的32/40位浮点DSP。ADSP-21479是性能出色，266MHZ/1596MFLOP：

• 266 MHz/1596FLOPS SIMD SHARC内核，支持32-bit浮点、40-bit浮点以及16/32-bit定点数据类型
• 支持多达5 Mb 片内SRAM
• 支持16位宽SDR、SDRAM存储器接口
• 数字应用接口 DAI，支持多达8个的高速同步串口(SPORT)及SPI串口
• 2个精确时钟发生器
• 20线数字I/O端口
• 3个定时器、UART、I2C兼容接口
• ROM/JTAG安全模式
• 供应196引脚CSP_BGA封装与100引脚LQFP封装产品，适合于工业客户的要求
• 供应商业级、工业级温度与汽车级温度等级产品

 
图3  ADSP-21479的内部原理框图。

2. AD7606和ADSP-21479配置与连接
AD7606芯片的供电采用单5V供电，见图4所示：
 
图4。AD7606供电示意图。
AD7606采用硬件配置方式，具体配置如下：
 1) 设置RANGE=0时，模拟输入范围是±5Vref。
2) 设置/PAR /SER/BYTE SEL为高电平，选择使用串行模式。
    3) CONVSTA, CONVSTB ,使用同源激励。
4) 设置REF SELECT=0 ,使用外部参考电压

SHARC ADSP-21479 SRU设置：
 SPORT0_SCLK  DAIP 1
 SPORT0_FS    DAIP 4
SPORT0_DA    DAIP 5
FLAG4     DPI_PIN1 
FLAG5     DPI_PIN2
根据以上配置，ADSP-21479通过SPORT口与AD7606联系的系统示意图如图5所示：
 
图5  采用串行方式时，AD7606与ADSP-21479硬件连接示意图

3. 时序分析
AD7606工作时序如图6，通过DSP的FLAG信号驱动CONVST A/B信号启动转换过程，BUSY标志着工作状态，连接到DSP的中断输入。BUSY为高时表示处于转换状态，转换完毕后高到低的下降沿引起DSP中断，DSP在响应中断通过SPORT0读取8通道ADC转换好的数据。
 
图6  AD7606串行读取数据时序

ADSP-21479 SPORT口的时序如图7所示，在FS信号启动后，数据随着时钟节拍被读取。 我们选择SPORT数据宽度是32位，那么四次FS信号即可读取八个通道的数据。
 
图7  ADSP-21479 SPORT串行数据接收时序[page]

4. 测试结果和结论
DSP软件设置50K的采样信号，对8个通道的数据进行同时采样。各模拟通道输入信号分别为：通道5连接1KHz正弦波，其余通道接地。
4．1 测试结果
1) 利用VDSP5.0++ 的plot窗口(VDSP->View->Debug Windows->Plot)观察5通道数据，
1. 通道5提取到1KHz正弦波;

 4．2 结论
这种连接方式只使用DSP的一个串行SPORT口即可同时读取8路ADC的数据。但由于8路数据都通过一路数据输出给DSP，而AD7606支持的最高串行时钟频率有限，模数转换还要占用一部分采样周期，因此串行输出的连接下，AD7606不能工作在最高200KSPS采样率下。
根据AD7606数据手册，AD7606的SCLK上限为23.5MHz。FLAG信号驱动CONVST A/B信号，单路串行输出八通道数据。不考虑转换时间最高采样率可达23500000/（16×8）=183.5kHz，由于每个周期数据转换将消耗一定时间，所以实际无法达到此速度。假设采样周期用Tconvst表示，根据AD7606数据手册，模数转换时间为3.45us，所以 Tconvst-3.45us代表采样周期中传输数据的时间。八通道总数据量为128个时钟周期，所以(Tconvst-3)/128近似为每bit数据的时钟周期。由于SCLK最大为23.5MHz，据此可以推算出此模式下最高采样频率：
(Tconvst(max)-3.45)/128 = 1/23.5
Tconvst(max)≈8.89us
即最高采样率为1/ Tconvst(max) = 112KSPS
同理可知,若采用两口同时输出转换数据，即启动2个SPORT分别读取8个通道的数据，实际最高采样率能达到161K SPS。

当AD7606采用并行方式输出到DSP时，即可得到最高200KSPS采样率。
5. DSP参考代码
1. 配置SRU
// This function will setup the SRU Registers
void InitSRU(void)
{
 //Generating Code for connecting : SPORT0_CLK to DAI_PIN1
 SRU (HIGH, PBEN01_I);
 SRU (SPORT0_CLK_O, DAI_PB01_I);

 //Generating Code for connecting : SPORT0_FS to DAI_PIN4
 SRU (HIGH, PBEN04_I);
 SRU (SPORT0_FS_O, DAI_PB04_I);

 //Generating Code for connecting : DAI_PIN5 to SPORT0_DA
 SRU (LOW, PBEN05_I);
 SRU (DAI_PB05_O, SPORT0_DA_I);
 

 //Generating Code for connecting : FLAG4 to DPI_PIN1
 SRU (HIGH, DPI_PBEN01_I);
 SRU (FLAG4_O, DPI_PB01_I);

 //Generating Code for connecting : FLAG5 to DPI_PIN2
 SRU (HIGH, DPI_PBEN02_I);
 SRU (FLAG5_O, DPI_PB02_I);

}
2. IRQ1  BUSY中断服务程序
void AD7606_BUSY_IRQs(int sig_int)
{
 busy++;
 interrupt(SIG_SP0,Count_SPORT0_RX_IRQs);
#ifdef DMA 
 * (volatile int *)SPCTL0 =( SPEN_A | SLEN32 | ICLK | IFS | LAFS |  SDEN_A | FSR  | DITFS| LFS ); 
#endif 
#ifdef CORE
  * (volatile int *) SPCTL0 =( SLEN16 | ICLK | IFS | FSR | LAFS | LFS | DITFS);
  *(volatile int *) SPCTL0 |=SPEN_A ;
#endif
}
3. SPORT初始化程序
void init_sport(){
  * (volatile int *) SPCTL0 = 0;
  * (volatile int *) SPCTL1 = 0;
  * (volatile int *) SPMCTL0 = 0; 
  * (volatile int *) SPMCTL1 = 0; 
SPORT_DMA_setup:
 
  * (volatile int *) IISP0A =(int)rx_buf0a ;
  * (volatile int *) IMSP0A = 1;         
     * (volatile int *) CSP0A = CHNUM;

  //configure the sport   
  /* */
  /* CLKDIV0=[fCCLK(266 MHz)/4xFSCLK(17 MHz)]-1 = 0x0005 */
  /* FSDIV0=[FSCLK(10 MHz)/TFS(2 MHz)]-1 = 31 = 0x001F */
  //13m hz 1m   0x00080003;       
   /* Configure SPORT0 as a reciever (Rx) */
  * (volatile int *) DIV0 = 0x001F0005; 
          

}
4. SPORT 中断程序
void Count_SPORT0_RX_IRQs(int sig_int)
{
 SP0I_counter++; 
#ifdef CORE 
 rx_buf0a[(SP0I_counter-1)*CHNUM]=(short)(*pRXSP0A);
#endif 
 * (volatile int *) SPCTL0 =0;
 finished=1;
#ifdef DMA 
  
   if(SP0I_counter==1024){
  * (volatile int *) IISP0A =(int)rx_buf0a ;
  SP0I_counter=0;
  }
 else 
  * (volatile int *) IISP0A =(int)(rx_buf0a+ (SP0I_counter)*CHNUM);
 * (volatile int *) IMSP0A = 1;         
    * (volatile int *) CSP0A = CHNUM;
     
#endif
 interrupt(SIG_SP0,SIG_IGN);
}