单片机在高速数据采集中的接口设计

概述

TMS320VC5402是TI公司的第五代DSP专门基于数字信号处理的低功耗的DSP芯片，工作频率高达10ns，在数字信号处理中应用广泛。该芯片提供了2个MCBSP，既可以工作在SPI模式又可以工作在通用串口模式，在系统设计中应用灵活。MAX121是MAXIM公司推出的带有专用DSP接口的14位具有片上T/H、低漂移、低噪声、低功耗快速转换的模拟/数字转换器，功耗只有210mW，转换时间为2.9 s，78dB的SIND，可以和TMS320系列DSP、ADSP系列和Motorola系列单片机进行连接，设计简单。

MAX121芯片介绍

MAX121工作参数

VDD对DGND 0.3～+6V；VSS对DGND 　 +0.3～ 7V；

AIN对AGND 15V；　　AGND对DGND 0.3V；

数字输入对DGND（CS、CONVST、MODE、CLKIN、INVCLK、INVFRM）-0.3(Vdd+0.3V)；

数字输出对DGND(SFRM、FSTRT、SCLK、SDATA)　+0.3(Vdd+0.3V)；强度超出上述极限参数可能导致器件的永久性损坏。这些参数只是极限参数，并不意味着在极限参数条件下，或者任何其它超出技术规范规定的工作条件下器件能有效工作。

MAX121的工作原理 如图2，当转换开始时，缓冲器与AIN端断开，对输入信号采样。在转换结束时，缓冲器输入端又连接到AIN端，而且保持电容跟踪输入电压。无论何时，只要转换没有进行，T/H就处于跟踪模式。在转换开始以后，保持模式启动时间接近10ns(窗口延迟)。从一次转换到下一次转换延迟变化的典型时间为30ps(窗口抖动)。 [NextPage]
 
电路时钟频率

MAX121工作时需要一个与TTL、CMOS电平兼容的时钟，时钟频率的范围从0.1～5.5MHz。为满足2个时钟周期400ns采集时间的要求，最大时钟频率限制在5MHz。由于内部T/H电压下降速率的限制，所有模式的时钟频率不应低于0.1MHz。

输出数据

转换结果以16位串行数据流输出，前14位为数据位(首先为MSB)，后2位为零。输出数据为二进制补码形式。在CLKIN的上升沿，数据在SDATA端同步输出。输出数据可用FSTRT或者SFRM输出来分帧。要求每次转换最少为18个时钟周期，以获得有效输出。

高速接口设计及编程 

MAX121共有三种工作方式：

       1 ）由/CONVST控制转换；

       2 ）/CS控制转换；

       3 ）连续模式。

三种模式中第一种是用于和DSP以及其他微处理器连接，第二种用于多个器件组合应用，第三种MAX121工作在连续转换状态下，应用于数据的连续采样。

在方式1中，有两种时钟提供方式，其一由CLKR提供时钟。

但这种连接方式能提供的时钟最大为3.2MHz，另外可由外部电路提供时钟，最高可达系统的最大时钟5.5MHz，实现高速连接，根据设计要求，在实际使用时选择第二种连接方式。具体电路设计如 5所示。

CLKIN（14）外接一有源振荡器，提供5MHz的时钟；

MODE（16）接+5v电源，/CS接地：选择工作模式；

/CONVST（13）接TMS320VC5402的XF引脚，由DSP的通过XF控制数据转换；

SCLK（12），FSTRT（10），SDATA（11）分别和DSP的BLCKR0，BFSR0，BDR0连接’接收传送时钟，帧同步信号，数据。

CLKIN是MAX121的输入时钟，而SCLK使数据移位进入处MAX121，CLKIN由外部时钟振荡器驱动（5MHz）。TMS320VC5402的XF引脚（通用I/O口）驱动MAX121输入端为低，启动一次转换。TMS320VC5402的BCLKR0(接收时钟)端配置为输入，并由MAX121的SCLK输出端驱动。MAX121的SDATA输出端数据在时钟的上升沿改变状态，而在时钟下降沿，数据被锁存到TMS320VC5402的DR输入端。这样可提供1/2个时钟周期，以满DR输入端所需要的数据建立和保持时间。MAX121 SCLK和SDATA之间的最大时滞在+25时为65ns，所以1/2个时钟周期足以满足要求的建立和保持时间.

MAX121的FSTRT输出驱动TMS320VC5402的BFSR0输入，以对数据分帧。FSTRT输出的下降沿指示MSB已准备好,可被锁存。在下一个时钟下降沿，MSB被锁存在TMS320VC5402。使用这种接口，配置TMS320VC5402可接收16位，于是14位数据被时钟同步移入DSP，同时跟随两位尾随的0。

结论

该设计部论的硬件部分和软件部分都已经得到实验验证，并将其应用到研发之中，与同类A/D比较，与DSP等有简易的接口，应用方便，而且有着较高的分辨率，实用性很强。