六通道同步采样AD芯片ADS8364在数据采集中的应用

第5卷第1期2010年1月41六通道同步采样AD芯片ADS8364在数据采集中的应用黄卫权，吴岩（哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨150001）摘要：介绍了高精度六通道同步采样A/D芯片ADS8364的主要功能与特点，并结合高速浮点数字信号处理器(DSP)TMS320C6713与ALTERA公司的CPLDEPM7128在系统中的使用方法，介绍ADS8364在微惯性航姿系统中完成数据采集功能的具体应用。微惯性航姿系统通过ADS8364能够同步实时的采集六路微惯性传感器件的测量数据，并将其模数转换结果送入导航计算机(DSP)中进行数据处理和航姿解算。实验结果证明所设计研发的微惯性航姿系统具有数据测量精度高、数据处理实时性好、速度快等优点。关键词：ADS8364；DSP；数据采集中图分类号：TP33文献标志码：A文章编号：1673－7180(2010)01－0041－6Applicationofsix-channelhigh-accuracyADS8364tothemicro-inertialheadingandattitudesystemHuangWeiquan，WuYan(CollegeofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Themainperformanceandarchitectureofhigh-precisionand6-channelsimultaneoussamplingAnalog-to-digitalconvertersADS8364wereintroduced,whichcombinedwithpracticalapplicationofhign-precisionfloating-pointdigitalsignalprocessorTMS320C6713andCPLDEPM7128ofALTERACompany.Italsorealizedapplicationofdataacquisitioninmicro-inertialheadingandattitudesystem.ThissystemcouldcarryoutdataacquisitionofsixchannelofmicroinertialsensorbyADS8364synchronously,andtransmitconversionresulttoDSPthatcouldcompletedataprocessing.Experimentalresultprovedthatthissystemwashigh-precisionandhigh-speed.Keywords:ADS8364；DSP；dataacquisition0引言现代导航系统是20世纪70年代在航海、航空与航天等领域随着现代高科技的发展应运而生的。本文所介绍的系统是应用微惯性传感器件与电子罗盘构成的微惯性航姿系统，而微惯性传感器件分别是由敏感轴正交放置的3个陀螺仪和3个加速度计所组成，通过构建数学平台，将系统采集到的微惯性传感器的数据与电子罗盘的地磁信息组合，并进行数据解算，得出载体的姿态与航向信息供载体控制、导航等。由于需要实时同步采集六路传感器的信号，一个高精度多通道同步采样的A/D芯片对于该系统显得尤为重要。收稿日期：2009-07-20基金项目：科技部小企业创新基金(08C26212301768)作者简介：黄卫权(1968－)，男，教授，主要研究方向：导航、制导与控制，[e-mail]中国科技论文在线SciencepaperOnline第5卷第1期2010年1月42中国科技论文在线SciencepaperOnline1系统设计微惯性航姿系统主要是3个微机械陀螺仪（敏感轴垂直芯片向上）、3个微机械加速度计（敏感轴垂直芯片向上）、电子罗盘以及一些相关器件与电路所构成，图1给出了系统硬件安装简图。轴加速度计轴陀螺轴陀螺轴加计CPLDDSP轴陀螺轴加计电子磁罗盘图1系统硬件实体简图Fig.1Diagramofsystemhardware敏感轴正交放置的3个陀螺仪与3个加速度计的信号通过由CPLD控制的16位6通道同步采样A/D芯片ADS8364来采集并完成模数转换，转换结果送入高速浮点DSPTMS320C6713中进行处理和导航解算。因此，导航计算机(DSPTMS320C6713)的高性能决定了该系统的实时性，而采集惯性器件测量数据的A/D芯片则直接决定了该系统的精度。ADS8364是美国TI公司BB生产线生产的高速、低功耗、具有16位高速并行接口及6通道同步采样转换的高性能模数转换芯片，该芯片提供了一个灵活的高速并行接口，可以仅通过一个逻辑电平转换芯片直接与高速浮点DSPTMS320C6713的外部存储器接口(EMIF)相连。1.1主要器件选型1.1.1模数转换器ADS8364[1]ADS8364有6个模拟差分输入通道，分为A、B、C3组，每组2个通道，分别由外部引脚/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC控制启动A/D转换。因此，将3个转换启动引脚外部相连，作为一个启动转换控制端，便可以实现6通道同步采样。模拟电源为单+5V供电，将芯片的REFin引脚和REFout引脚连接到一起可以输出+2.5V的参考电压提供给差分电路[2]。ADS8364的时钟信号由外部提供，模数转换时间为20个时钟周期，最高频率为5MHz，此时ADS8364的转换时间为3.2µs，相应的数据采集时间为0.8µs，每个通道的总的转换时间仅为4µs，在A/D转换完成后产生转换结束信号/EOC（低电平信号），该信号可作为DSP的外部中断信号。A/D转换器转换结果为16位，最高位为符号位，数据输出方式很灵活，分别为直接读取、循环读取和FIFO方式，这些方式分别由BYTE、ADD和地址线A2、A1、A0的组合控制，如表1所示。根据BYTE为0或者为1可确定每次读取时得到的数据位数，根据ADD为0或者为1可确定第1次读取的是通道地址信息还是通道A/D转换结果。表1ADS8364通道选择模式Table1ChannelselectionmodeofADS8364A2A1A0通道模式000CHA0001CHA1010CHB0011CHB1100CHC0101CHC1110CYCLE111FIFO1.1.2高速浮点DSPTMS320C6713[3]本系统的DSP选型主要考虑满足航姿系统对速度、精度、动态范围、实时性的要求，同时需要兼顾减小体积、降低功耗和降低成本。鉴于航姿算法的复杂性和处理的实时性，选用TI公司高性能浮点DSP—TMS320C6713做为导航计算机。主要选择依据包括：(1)最高可达300MHz的时钟频率，可以满足信号处理的实时性；(2)256KB的SRAM、64KB的程序存储器，存储资源足够大；(3)凭借超常指令字结构和二级高速缓存，DSP的性能可达2400MIPS（每秒百万条指令）、1800MFLOPS（每秒百万个浮点操作）；(4)32位EMIF接口，无缝接口到EPROM、FLASH、ASIC、FPGA等外部寄存器。1.1.3CPLD的选型[4]该系统选择的复杂可编程逻辑器件CPLD是Altera公司的EPM7128S，采用CMOS工艺，是一种基于EPROM的器件。该芯片有84个引脚，其中5个用于ISP(insystemprogrammable)下载，可以方便地对其进行在系统编程。器件内集成了6000个门，其中典型可用门为2500个，有128个逻辑单元，60个可用I/O口，可以单独配置为输入、输出及双向工作方式，2个全局第5卷第1期2010年1月43时钟及1个全局使能端和1个全局清除端。系统中的CPLD主要完成信号采样控制、复位控制、地址译码、输出时钟、flash读写控制等功能[5]。1.2系统数据采集模块的设计本文设计研发的系统使用了DSPTMS320C6713强大的外部存储器接口EMIF(externalmemoryinterface)，利用CPLD的逻辑控制功能，将外部器件分配到所设定的地址空间，通过访问外部寄存器地址空间，实现控制ADS8364的数据采集与数据传输[6]。DSP、CPLD、ADS8364及微惯性传感器件之间的接口设计如图2所示[7]。图2系统数据采集模块硬件结构图Fig.2Modulehardwarestructurediagramofsystemdataacquisition模数转换器ADS8364以100Hz的频率采集惯性传感器的模拟电压信号，3个启动转换控制引脚(/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC)外部相连，低电平有效。DSP经过CPLD的译码，每5ms产生1个低电平，从而启动A/D转换。A/D转换完成后即在/EOC引脚产生1个低电平信号，从而触发DSP的外部中断INT4，此时DSP立即通知CPLD产生A/D片选信号，同时访问预先为ADS8364设定好的地址，开始读取A/D转换后寄存器里的数据，读取的模式为CYCLE循环模式，顺序为CHA0、CHA1、CHB0、CHB1、CHC0、CHC1。读取数据过程完成后，DSP在下一次采集过程前，完成数据处理与导航解算[8]。数据采集过程为：(1)DSP的定时器中断定时触发A/D启动转换；(2)DSP等待ADS8364的/EOC外部中断；(3)检测到/EOC后，开始数据读取；(4)将缓存中的数据传送到上位机进行处理。数据采集流程图如图3所示：图3数据采集流程图Fig.3Dataacquisitionflowchart注：整个流程完成时间应在一个采样周期5ms内。以下是DSP处理器完成数据读取的部分程序：……六通道同步采样AD芯片ADS8364在数据采集中的应用第5卷第1期2010年1月44中国科技论文在线SciencepaperOnline#defineAD_DATA_BASE0x90140000#defineORDER2//为A/D的各通道分配地址#defineAD_CHA0*(unsignedshortint*)(AD_DATA_BASE+0*ORDER)#defineAD_CHC0*(unsignedshortint*)(AD_DATA_BASE+1*ORDER)#defineAD_CHB0*(unsignedshortint*)(AD_DATA_BASE+2*ORDER)#defineAD_CHA1*(unsignedshortint*)(AD_DATA_BASE+4*ORDER)#defineAD_CHC1*(unsignedshortint*)(AD_DATA_BASE+5*ORDER)#defineAD_CHB1*(unsignedshortint*)(AD_DATA_BASE+6*ORDER)voidinterruptTimer(void){ads8364_start=0x0;//发送控制脉冲信号，进行下次转换}voidinterruptXINT4()//外部中断INT4响应函{EOC_flag=1;//接收到/EOC信号，中断中完成标志位置1}main{……if(EOC_flag==1){unsignedshortinta,b,c,d,e,f;//定义16位寄存器用于存储A/D数据a=ads8364_a0;//将通道a0中数据读入保存到16位寄存器a中b=ads8364_a1;//将通道a1中数据读入保存到16位寄存器b中c=ads8364_b0;//将通道b0中数据读入保存到16位寄存器c中d=ads8364_b1;//将通道b1中数据读入保存到16位寄存器d中e=ads8364_c0;//将通道c0中数据读入保存到16位寄存器e中f=ads8364_c1;//将通道c1中数据读入保存到16位寄存器f中ads8364_start=0x7;//产生高电平，ADS8364数据读取完毕EOC_flag=0；//将/EOC标志位清零……//传上位机处理}}1.3系