LPC1768与AD7656带时标采样系统设计

摘要：以微控制器LPC1768为核心控制AD7656的采样电路，实现了电力系统监测数据带上准确时间标记的设计方案。系统采用LPC1768片内资源SSP0控制AD7656进行采样，并使用片内资源RTC，以获得带有实时时间标示的采样数据。带时标采样系统在工业实时监测系统中有良好的应用前景。
关键词：时间标示；LPC1768；AD7656；RTC；SSP

引言
    监测系统中，对被测对象的监测时常需要带时标。过去常外扩实时时钟芯片PCF8563，使用I2C接口与控制器相连，来获得时间。该设计需要外扩硬件资源，并且消耗控制器资源，使用效果不佳。恩智浦(NXP)公司的基于最新ARMv7内核的LPC1768，内嵌实时时钟计数器，系统
掉电仍可继续运行，可由自带的电源引脚VBAT供电，进行不间断地计时。数模采样模块采用ADI公司的AD7656，高精度、高速度、高信噪比、良好的实用性等特点使其成为模／数转换的极佳选择。使用LPC1768为控制核心，配合高效的AD7656模／数芯片，构成采样数据带时标的实时采样系统，在工业实时监测系统中有十分广阔的应用前景。

1 硬件设计
1．1 芯片简介
    Correx系列基于ARM公司的架构ARMv7，包括Cortex-A(应用处理器)、Cortex-R(实时处理器)、Cor-tex-M(微控制器)三个系列，Cortex-M3是面向低成本、小引脚数目以及低功耗应用，并且具有极高运算能力和中断响应能力的处理器内核。NXP的LPC1768便是基于Cortex-M3的处理器。
    如同现在市场上多数控制器，LPC1768只内建了1个带8通道的12位的模／数转换(少数芯片如TMS320F2812，带有2个8通道12位的模／数转换)，不能实现对多个监测单元的同时采样，并且实际达到的分辨率也只有9位半，不能满足现场监测的需要。使用外扩ADIAD7656芯片来实现多路监测采样，可广泛应用于输电线路监测系统、仪表和控制系统等。
1．2 LPCI768芯片电路
    硬件系统中，LPC1768FBD1OO作为主控芯片，其主频最高为100 MHz。LPC1768有3种时钟来源：
    ①osc-clk，片外时钟(主振荡器)输入，外部晶振工作在(1～25 MHz)。
    ②rtc-clk，实时时钟频率输入，实时时钟本身需要1个外部晶振(1～32．768 kHz)。
    ③irc-clk，内部振荡时钟(标称频率4 MHz)，在上电和片上复位时使用irc时钟，待软件配置其他时钟输入；irc-clk达不到USB接口时间基准精度要求，要使用USB功能，必须外接更高精度晶振。

    图1为RTC时钟时域的总体设计框图。使用12MHz的外部晶振，通过锁相环倍频后，以96MHz运行。RTC时钟输入RTCXl、RTCX2，外接32.768 kHz晶振，采用独立3．3 V电池供电，Vbat输入端接二极管，防止电池反接造成芯片烧毁。芯片采用3．3 V供电，数字和模拟之间用O Ω电阻或者合适值的电感(电感值大小和电路设计本身有关)隔开。
    JTAG仿真口接法如图2所示。

    ADI公司的AD7656有多种数据传输方式可供配置，相对于LPC1768丰富的串行传输方式和很少的I／0数量，并行传输要占用16位或8位数据线，占用资源太多。使用带有8帧4～16位可配置FIFO的SSP总线，使其运行在SPI模式下。
    LPCI768的SSP同步串行控制器，占用4个引脚：
    ①SCK，串行时钟线。作为同步时钟信号，主机驱动，从机接收，可配置高、低有效只在传输过程中有效；对应引脚为P0．15或P1．20(SSP0使用)，PO．7或P1．31(SSPl使用)。
    ②SSEL，帧同步／从机选择信号。主机在数据传输开始和结束时都会驱动该信号，在多个从机情况下，可作为片选信号使用；对应引脚为P0．16或P1．21(SSP0使用)，P0．6(SSP1使用)。
    ③MISO，Master In Slave Out。当SSPn作为主机时，该引脚作为串行数据输入；SSPn作为从机时，该引脚作为串行数据输出线；SSPn是从机且未被SSEL选择时，引脚处于高阻态。对应引脚为PO．17或Pl．23(SSP0使用)，P0．8(SSP1使用)。
    ④MOSI，Master Out Slave In。SSPn是主机时，串行数据从该引脚输出；SSPn是从机时，该引脚接收主机输入的数据。对应引脚为PO．18或P1．24(SSP0使用)，P0．9(SSPl)。
1．3 AD7656芯片电路
    AD7656工作电路如图3所示，VDD与VSS是芯片模拟量输入部分的电源，使用+12 V和-12 V(可用电压范围为9．5～16．5 V的电源)供电，并使用0．1μF电容和10μF电解电容与模拟地隔开；AVCC与AGND是芯片ADC核心的工作电源，使用+5 V电源供电，两者之间同样要用0．1 μF电容和10μF电解电容隔开；AVCC与DVCC相差不能大于0．3 V，就算短时间内相差大于O．3 V，也会出现错误的测量结果；VDRIVE引脚是逻辑电源输入，可以根据不同的控制芯片或总线电平，来接不同的逻辑电平，配合LPC1768芯片3．3 V的电平，使用3．3 V电源，并用0．1μF电容和10 μF电解电容与DGND隔开；REFCAPC／B／A分别用O．1 μF电容和10 μF电解电容与模拟地隔开。

    RANGE接高电平，量程为±2×VREF，接低电平，量程为±4×VREF；选择串行模式下，接高电平3.3V，接DGND；串行数据只使用A口传输，SEL-A接高电平3．3 V，SEL-B、SEL-C接DGND；不使用菊花链功能，将DCIN-C、DCIN-B、DCIN-A引脚接DGND；引脚接高电平3．3 V，持续工作在标准模式下，接低电平为待机状态；CONVST-A／B／C接LPC1768的MATl．1，有定时器1的比较器输出翻转电平控制A／D转换；BUSY引脚在转换开始到结束为高电平，接LPC1768的EINT3，捕获转换结束下降沿；SCLK接LPC1768的SSP0的SCK0引脚(选用P1．20)；SDATA接LPC1768的SSP0的MISO0引脚(选用P1．23)。

2 软件设计
    在电力系统监测中，许多时候要用到三相电压电流采样，并对每个周期取128个采样值。使用定时器1产生比较中断，使用比较中断的引脚翻转功能，比较值为20 ms／(128×2)，即实际采样周期为2×20 ms／(128×2)=20ms／128。当比较输出翻转至高电平时，CONVST-A／B／C
置高，开始采样，同时BUSY引脚电平置高；转换结束，BUSY引脚置低，EINT3设置下降沿中断，捕获其下降沿，进入中断；中断服务程序读取RTC值和打开SSP0读取ADC值，程序流程如图4所示。

2．1 RTC实时时钟程序
    LPC1768 RTC拥有秒、分、小时、日期值(周期为月、值1～31)、星期值、日期值(周期为年、值1～365)、月值、年值寄存器，对每个寄存器设置需要的值。RTC中断分为2种——计数器增量中断(CIIR)和报警中断。
    计数器增量中断：RTC中8个寄存器，使能任意一个时间值的中断(秒中断、分中断等)，那么该时间值计数器每增加1次，就产生1次中断；
    报警中断：使能8个寄存器的任意一个或者几个计数中断使能，当所有未屏蔽寄存器的值与当前时间寄存器的值匹配时，产生中断。
    RTC功能模块框图如图5所示。

    下面是秒增量中断的例子。

2．2 AD7656与LPC1768 SSPO通信程序
    配置LPC1768 SSP0为SPI模式，每帧传输16位数据，自动接收6帧数据。程序如下：

结语
    本文介绍了基于ARM Cortex-M3的芯片LPC1768FBl00和16位A／D芯片AD7656的工作原理，设计了基于AD7656与LPC1768串行通信的采样系统，实现对采样数据带上时标的设计，对监控系统获得实时状态提供了可行方案。本系统可广泛应用于电力系统在线监测。由于工业现场的应用环境，该系统在精度和稳定性方面有待于提高。