新技术新工艺２０１６年 第１２期 基于ＡＤＳ７２３０与ＡＤＳＰ２１３６３的ＳＰＩ通信接口电路设计 杨 侃，金肖依 （北方电子研究院集团有限公司微电子部，江苏苏州２１５１６３） 摘 要：针对数字信号处理系统中的模拟信号转换的要求和系统连线简单、结构紧凑的考虑，采用串 行接口的Ａ／Ｄ芯片来完成模拟信号转换成数字信号。根据ＴＩ公司的双通道、低功耗、高精度Ａ／Ｄ转换 器ＡＤＳ７２３０的性能特点，以及ＡＤ公司的ＳＨＡＲＣ系列ＡＤＳＰ２１３６３内设接口特点，设计了基于ＡＤ— ＳＰ２１３６３与ＡＤＳ７２３０的ＳＰＩ通信接口电路，并给出了接口的硬件电路图，ＳＰＩ口串口通信软件程序流程 图，以及部分驱动程序代码。实际应用结果表明，该设计合理可行。 关键词：ＡＤＳ７２３ｏ；模数转换；ＳＰＩ；ＡＤＳＰ２１３６３ 中图分类号：ＴＰ ３３４ 文献标志码：Ａ ＹＡＮＧ Ｋａｎ，ＪＩＮ Ｘｉａｏｙｉ ＳＰＩ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＳ７２３０ ａｎｄ ＡＤＳＰ２１３６３ （Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５１６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｗａｙｓ ｏｆ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｓｅｒｉａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ Ａ／Ｄ ｃｈｉｐ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔ ｔｈｅ ａｎａｌｏｇ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａ１． Ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｐｅｒ［ｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＡＤＳ７２３０，ｉｔ ｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ａｓ ｄｕａｌ ｃｈａｎｎｅｌ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎ— ｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｔｈｅ ＳＰＩ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＳ７２３０ ａｎｄ ＡＤＳＰ２１３６３．Ｄｉｓ— ｐｌａｙ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｉａｇｒａｍ，ＳＰＩ ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ，ａｎｄ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｄｒｉｖｅ ｃｏｄｅｓ．Ｔｈｅ ａｃ— ｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＤＳ７２３０，Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＳＰＩ，ＡＤＳＰ２１３６３ 数字信号处理器（ＤＳＰ）的应用广泛，数据采集 与信号处理是ＤＳＰ系统应用中不可分割的２个部 分。而自然界的信号多以模拟信号的形式存在，因 布线板级，本文选取ＴＴＳＯＰ封装形式。 １．１．２模数转换芯片ＡＤＳ７２３０工作原理 ＡＤＳ７２３Ｏ拥有一个２至ｌ输入多路复用器，使 此如果进行数字信号处理，则须进行模数信号的转 换。在ＤＳＰ与Ａ／Ｄ芯片连接时通常采用串口和并 得每个ＡＤＣ都能将２个通道进行数字化，减少了组 件数，缩小了板级空间。ＡＤＳ７２３０必须采用外部基 口等２种接口形式，并口接口的优点在于资源丰富， 但是使用过程中需要加入译码电路，这样不仅连线 复杂，增加了布线的面积，而且一定程度上或将引入 准源，外部参考电压为Ｏ．３～５ Ｖ，内部自带采样保 持功能。 ＡＤＳ７２３０在数据转换时采用内部自带的时钟 干扰和不稳定的因素；串行接口的优势在于连线简 单、布线少，相对并口接口而言更稳定，但是硬件资 源较少。基于连线简单、结构更加紧凑方面的考虑， 一信号或通过ＳＣＬＫ管脚输入外部的串行时钟信号。 ＡＤＳ７２３Ｏ自带的一个振荡器作为内部时钟，用于控 制模数转换的速度，时钟的最小频率为２１ ＭＨｚ。 该振荡器一直处于工作状态，除非芯片处于低功耗 些信号处理系统通常会采用串行接口的Ａ／Ｄ芯 片 。 状态，或者使用可编程的外部时钟源ＳＣＬＫ作为转 换时钟＿３］。采用内部时钟时，最小采样时间需要３ 个时钟周期，转换时间需要１２个时钟周期。当模数 转换的时钟源采用外部的串行时钟ＳＣＬＫ信号时， １ ＳＰＩ通信接口电路的硬件设计 １．１ 模数转换芯片ＡＤＳ７２３０的特点和工作原理 １。１．１模数转换芯片ＡＤＳ７２３０的特点 使整个电路达到系统同步的效果。使用外部时钟信 号时具体时序如图１所示。 外部时钟最高可达５０ ＭＨｚ，ＳＣＬＫ首先将被 二分频成ＣＣＬＫ时钟周期，如果转换过程指定必须 在外部时钟信号的上升沿开始转换时，那么必须确 保ＣＯＮＶＳＴ和时钟信号ＳＣＬＫ上升沿之间的建立 时间，而这一配置确保了数据的转换能够在１８个 ＴＩ公司的ＡＤＳ７２３０是一款高速、低功耗、高性 能的电容逐次逼近型ＳＰＩ接口Ａ／Ｄ转换器，采样率 高达１ ＭＨｚ。可以选择多种电源管理模式，并支持 菊花链接口模式和软件配置方式，工作电压为２．７ ～５．５ Ｖ，具有极好的直流和交流特性Ｉ２］。该器件 有１６脚ＱＦＮ和ＴＳＳＯＰ等２种外形封装。为方便 ８４ Ｉ 《新技术新工艺》兵器技术研究 兵器技术研究 ＡＤＳ７２３０外部基准采用５ Ｖ供电，数字供电范 围为１．６５～５．５ Ｖ，取３．３ Ｖ工作电压，以匹配于 ＡＤＳＰ２１３６３的ｉ／ｏ口电压，无需电平转换芯片 ｊ。 ＡＤＳＰ２１３６３的ＭＯＳＩ管脚对应连接ＡＤＳ７２３０的数 据输入ＳＤＩ管脚，ＭＩＳＯ管脚对应数据输出ＳＤＯ管 脚，时钟管脚ＳＰＩＣＬＫ提供ＡＤＳ７２３０的时钟控制管 脚ＳＣＬＫ，ＤＰＩ—Ｐ９与ＡＤＳ７２３０片选ＣＳ控制管脚， 图１ ＡＤＳ７２３０外部时钟时序图 ＤＰＩ—Ｐ１７与ＡＤＳ７２３０的转换开始标志ＣＯＮＶＳＴ管 ＣＣＬＫ时钟周期内完成。为了确保ＣＯＮＶＳＴ和时 脚相连。ＡＤＳＰ２１３６３的ＥＯＣ引脚为转换输出结束 钟信号的同步，该建立时间应≥２０ ｎｓ。在大多数情 标志引脚。 况下，模拟转换在时钟信号ＳＣＬＫ的１个周期后就 ２ ＳＰＩ通信接口电路的软件设计 开始了，这样完成整个模数转换需要１９个ＣＣＬＫ 时钟周期；因此，在实际应用中，对同步要求不是很 ２．１ ＡＤＳ７２３０串口转换时序 高的时候，没有必要用２０ ｎｓ的建立时间。 ＡＤＳＰ２１３６３和ＡＤＳ７２３０都拥有各自的硬件 １．２ ＤＳＰ处理器的选择 ＳＰＩ接口，因此只需按照ＡＤＳ７２３０的ＳＰＩ的读写时 ＡＤＩ公司的ＳＨＡＲＣ系列浮点ＤＳＰ产品具有 序图编写软件程序。首先对ＡＤＳ７２３０的ＳＰＩ接口 运行速度快、片内资源丰富和接口齐全的特点。本 工作时序（见图３）进行分析。每一次操作循环是从 电路选择ＳＨＡＲＣ系列处理器的第３代产品ＡＤ— ＦＳ／ＣＳ下降沿开始的，首先是通过ＡＤＳＰ２１３６３的 ＳＰ２１３６３做ＤＳＰ处理器，其主要优势在于：１）时钟 ＳＰＩ的相关寄存器的设置，把其配置为从模式，接着 频率高达３００ ＭＨｚ，指令周期为３．３ ｎｓ，运算能力 对ＳＰＩ的字长、波特率和时钟模式等进行相应的配 为１ ８００ ＭＦＬＯＰｓ，采用单指令、多数据运算方式， 置；然后通过ＡＤＳＰ２１３６３的ＧＰＩＯ口的ＤＰＩ—Ｐ９片 支持３２ ｂｉｔ定点和３２／４０ ｂｉｔ浮点运算；２）片上存储 选ＡＤＳ７２３０，并通过ＧＰＩＯ口的ＤＰＩ—Ｐ１７启动ＡＤＣ 器容量大，ＳＲＡＭ为２ Ｍｂｉｔ，ＲＯＭ为４ Ｍｂｉｔ；３）片 的转换，当转换控制输入ＣＯＮＶＳＴ到一个下降沿 上接口丰富，数字外设接口包括２个ＳＰＩ、２个 时，片内采样保持器由采样模式转换为保持模式，保 ＵＡＲＴ、３个定时器和１个两线Ｉ Ｃ，数字应用接口 持模拟输入信号，并启动转换过程，此时ＥＯＳ信号 包括８个串行端口ＳＰＯＲＴ、ｓ／ＰＤＩＦ ＴＸ／ＲＸ、８通 一直保持低电平；转换完成后，ＥＯＳ信号变成高电 道异步采样率转换器ＡＳＲＣ、４个精密时钟发生器、 平，ＣＳ信号置低，在ＡＤＳ７２３０的输出脉冲ＳＣＬＫ的 １６个ＰＷＭ、１个ＴＷＩ和３２ ｂｉｔＳＤＲＡＭ接口ｌ＿２］。 控制下，把１２位的采集数据结果送到指定的存储单 特有的数字应用接口（ＤＡＩ）和数字外设接口（ＤＰＩ） 元。 均允许用户将任何外设引脚功能分配到他们想要的 任意一个引脚。这种灵活性显著减少了支持特殊系 统所需的外部引脚数量，有助于硬件设计的简化，进 一步降低成本。 １．３ ＡＤＳ２１３６３与ＡＤＳ７２３０接口电路 图３ ｓＰＩ通信时序图 ＡＤＳＰ２１３６３具有２个ＳＰＩ接口资源，采用串行 ２．２软件实现 工作方式，不仅满足了采集的快速性要求，在硬件上 采集程序在ＶｉｓｕａｌＤＳＰ＋＋５．０环境下采用ｃ 也较容易实现。ＡＤＳＰ２１３６３的ＳＰＩ接口与 语言编程，包括系统初始化程序、ＳＰＩ接口配置程序 ＡＤＳ７２３０硬件连接如图２所示。 等。ＡＤＳ７２３０的内部寄存器一共１６位，分为两部 分：４ ｂｉｔ的（ＣＭＲ）命令寄存器和１２ ｂｉｔ（ＣＦＲ）配置 囊 囊 莹 寄存器。本电路采用查询方式读取ＳＰＩ口数据 图 ４为ＳＰＩ口串口通信程序流程图。 图２ ＡＤＳ２１３６３与ＡＤＳ７２３０接口电路示意图 《新技术新工艺》兵器技术研究 ８５ 新技术新工艺２０１６年 第１ ２期 开始 ３ 实验结果 ＡＤＳ７２３０的输入模拟量Ⅵ 一２．５ Ｖ时的串口 通信记录图如图５所示。图５中．通道ＣＨＩ为ＳＰＩ、 的输出时钟ＳＣＩ Ｋ，通道ＣＨ２为ＡＤＳ７２３０的ＳＤＯ ＡＤｓＰ初始化 ＡＤＳ７２３０ ＳＰＩ初始化（字长、 波特率、ＳＰＩ控制寄存器） 引脚输出的１２位数据。 启动ＡＤＳ７２３０模数转换 跳平 ＼／ 上是 读取ＳＰＩＲＷ（ＡＤＣ—ＩＮＩ， ＡＤＳＰ２１３６３ＳＰＩ）数据 图５ 串口通信记录图 ４ 结语 本文通过对ＴＩ公司的高速、低功耗１２位Ａ／Ｄ 图４ ＳＰＩ口串口通信程序流程图 为了实现ＳＰＩ接口通信，编写了两者接口的驱 芯片ＡＤＳ７２３Ｏ与ＡＤＩ公司的ＳＨＡＲＣ系列ＡＤ— 动程序，该驱动程序功能主要由以下２个函数完成。 １）ＡＤＳＰ２１３６３ＳＰＩ的初始化函数Ｉｎｉｔ—ＳＰＩ（）。 ＩｎｉｔＳＰＩ（） ＳＰ２１３６３的研究，设计了基于两者ＳＰＩ高速串口通 信接口电路，实现了硬件电路和软件设计。该嵌入 式数据采集电路设计简洁，程序采用Ｃ语言在ＡＤ— ＳＰ集成开发环境ＶｉｓｕａｌＤＳＰ＋＋５．０下编写、调试 ｛ ＳＲＵ（ＨＩＧＨ，ＰＢＥＮ１ ７Ｉ）； 完成。该Ａ／Ｄ芯片的字长和波特率配置灵活，传输 速度快，实现了与ＡＤＳＰ的ＳＰＩ接口的串口通信， ＳＲＵ（ＨＩＧＨ，ＤＡＬＰＢ１７＿Ｉ）； ＳＲＵ（ＨＩＧＨ，ＰＢＥＮ０９Ｉ）； 一满足了嵌入式数据采集电路的高速数据传输要求。 ＳＲＵ（ＨＩＧＨ，ＤＡＬＰＢ０９一Ｉ）； ＡＤＳ７２３０一ＳＰＩ—Ｉｎｉｔｉａｌ（１０，ＷＩ １６）；／／初始化ＡＤ— 参考文献 ［１］张扬．集成开关电源的数字功放模块的设计［Ｄ］．成都： 电子科技大学，２００９． ＳＰ２１３６３的ＳＰＩ口，频率１０ＭＨｚ，字长１６ｂｉｔ ＳＲＵ（ＩＸ）Ｗ，ＤＡＩＰＢ０９＿１）； —ｔｅｍｐ＝ＳＰＩＲＷ（Ｏｘｅｆｆｃ，ＡＤＳＰ２１３６３ＳＰＩ）； 一１ ２ ｌ Ｄａｔａｓｈｅｅｔ ｆｏｒ ＡＤＳ７２３０．Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｉｎｅ．２００９ ｄｅｌａｙｍｓ（１０ｏｏ）； １－３３康华光，陈大钦．电子技术基础模拟部分［Ｍｑ．４版．北 京：高等教育出版社，１９９９． 一ＳＲＵ（Ｉ ＯＷ，ＤＡＩＰＢ０９＿Ｉ）； —ｔｅｍｐ＝ＳＰＬＲＷ（０ｘｅ７９ｄ，ＡＤＳＰ２１ ３６３ＳＰＩ）； ｄａｔ＝ＳＰＩＲＷ（ＡＤＣ—ＩＮ１，ＡＤＳＰ２１３６３ＳＰＩ）； —一１ ４ Ｉ ＳＨＡＲＣ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ ＡＤＳＰ一２１３６１／ＡＤＳＰ一２１３６２／ＡＤＳｐ－ ２１３６３／ＡＤＳｐ－２１３６４．Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ。Ｉｎｃ．２００９ ｝ ２）读数据函数。 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ＳＰＩＲＷ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｍｄ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ —作者简介：杨侃（Ｉ ９７９一），男，高级工程师，硕士，主要从事数 模混合集成技术和传感器应用技术等方面的研 究。 ｓｐｉｐｏｒｔ） —｛ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｔｅｍｐ； ａｓｍ（”ｒＯ＝ —收稿日期：２Ｏｌ６一Ｏ９—２５ ０；”：：”ｄ”（ｃｍｄ））； 一责任编辑马彤 ｉｆ（ｓｐｉｐｏｒｔ一一ＡＤＳＰ２１３６３ＳＰＩ） ｛ ａｓｍ（”ｄｍ（ＴＸＳＰＩ）：ｒ０；”）； ｗｈｉｌｅ（（ ｐＳＰＩＳＴＡＴ＆ＲＸＳ）！一ＲＸＳ）； ｝ ｒｅｔｕｒｎ ｔｅｍｐ；／／返回ＳＰＩ数据 ｝ ８６ ｌ 《新技术新工艺》军民融合技术专栏