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1、2012-07-19#T#M#S#3#2#0#F#22400127-07与-19#A#D#7#3#3#260102-07-19#接口电路设计*1 郑州大学电气工程学院 河南郑州 4500012 郑州大学科研处* 毛晓波1赵峰2黄俊杰1摘要：介绍两种不同结构 SPI 的接口电路软硬件设计方法。给出了由 TMS320F2407 DSP 与16 位 -A/ D 转换器 AD73360 组成的多路数据采集系统，具有硬件结构简单、6 通道相关 联信号同时采样、内置抗混叠滤波器和程控放大器、采样速率和抗混叠滤波频率可通过编程 选择等特点，最高采样率可达 64 k/ s, 已在矿山设备机械故障诊断、电力参数
2、测量系统中得 以应用，效果良好。叙词：数据采集 SPI -A/D 转换器目 前对多路相互关联信号实现同时、同步采样的1AD73360 性能简介AD73360 是 AD 公司推出的可编程 16 位 -A/ D 转换器。每个 A/ D 转换通道由程控放大器、高速采样 的 -A/ D 调制器、抽取数字滤波器组成。放大器增 益、采样率、抗混叠数字滤波器的截止频率均可编程 设置2 。具体性能如下：(1) 各放大器增益在 038 dB 分 8 档编程设置； (2) 最高采样率达 64 k。当 DMCLK=16.384 MHz时，采样率可编程为：8 k、16 k、32 k 和 64 k； (3) 数字滤波器
3、截止频率等于 1/ 2 采样频率；(4) 可编程设置同步串行口 (DMCLK、DMCLK/ 2、 DMCLK/ 4、DMCLK/ 8) 波特率，与不同速度的微处理 器进行数据通讯；(5) 具有良好的可扩展性，最多可 8 片级联使用， 扩展测量 48 路独立的 A/ D 转换通道；(6) 片内基准电压源，可编程选择 1.25 V 或 2.5 V； (7) 单 2.55.5 V 电源供电；(8) 信噪比高 (88 dB)，量化噪声小 (77dB)； (9) 抗干扰能力强、线性度好。AD73360 内部有 个控制寄存器 (CRA、CRB、CRC 、CRD 、CRE 、CRF 、CRG 、CRH) ，
4、完成对上述 的各种设置。AD73360 R-28 封装形式的引脚布置如图 1 所示。 各引脚功能简述如下3：RE SET ：复位端，低有效； SE：串行口使能端，高有效，低电平串行口停止工作，进入节电状态； MCLK ：主时钟输入端； SCLK ：串行时钟输出端；SDI 和 SDIFS：数据输入和帧同步信号输入，用于 同步接收一帧数据；方法主要有两种：一种是使用多片采样保持器、多路模拟开关和单片单通道逐次逼近式并行高速A/ D 转换器，再辅以同步信号产生电路、多路复杂的 抗混叠滤波电路组成，这样可同时采集多路信号送采样保持器保持，然后通过模拟开关切换分别送入 A/ D 转换器进行转换。该方法使
5、用一片高速 A/ D 转换器实 现多路信号同时采样。但外置多片采样保持器、模拟开关及复杂的抗混叠滤波电路使得系统结构复杂、编 程麻烦，成本也未能降低；另一种是采用多通道高速 逐次逼近式并行 A/ D 转换器，但 16 位以上的高速并行 A/ D 转换器通常为单通道或两通道，且价格昂贵， 要实现多路 (6 路以上) 信号同时采样需要多片高速 A/ D 转换器，使得成本大大增加。本文采用可编程 6 通道 16 位串行-A/ D 转换 器 AD73360 与 TMS320F2407 DSP 两芯片构成数据采 集与处理系统。由于 AD73360 能保证 6 路模拟信号同时采样，在变换过程中延迟很小，且
6、具有良好的内 置抗混叠性能和内置可编程程控增益放大器，节省了 许多外围电路，使构成的采集系统结构大大简化，16 位高分辨率和最高 64 k 采样率为获得高精度的测量结 果提供了保证1。此外，与并行接口相比，采用串行接口使硬件连接线大为减少，不仅可以减少印制电路板的面积，还 可以减少电磁干扰，从而提高系统的可靠性。 文中详 细介绍同步数据采集系统的核心器件 TMS320F2407 DSP 与 AD73360 接口电路的软、硬件设计方法。* 河南省自然科学基金资助项目(编号：0611052900)。* 作者简介：毛晓波，1965 年生，男，1989 年毕业于合肥工业大 学自动化专业，获硕士学位。现
7、任郑州大学副教授，硕士生导师， 河南省优秀中青年骨干教师。2004.92005.8: 日本东京工业大学访问学者。从事嵌入式系统、智能仪器仪表的教学与科研工作。(上接第 103 页) 增加支承点数，以减小支承跨度，增加管系刚度，提高管道的固有频率避开机械共振区。2 张德姜等. 石油化工装置工艺管道安装设计手册. 北京：中国石化出版社，1994(收稿日期：2007-01-20)2012-07-19#参 #考#文 #献#2012-07-19#20(修1改2稿-日期0：720-07-1049-0#3) #1 马大猷. 声学手册. 北京：科学出版社，2004通用SDO 和 SDOF- 发送、接受数据的帧
8、同S ：数据输出和帧同步输出，用于 A/ D 转换数据输出;其余的引脚分 别为 6 路模拟输 入、模拟电源和数 字电源等。AD73360 的 SPORT 是 16 位的同 步串行口，通过 6 条通讯线实现数据 的双向同步通讯， 并且只能工作在主 控方式。AD73360 的串 行口有 3 种工作模步5。笔者通过对 2 种不 同总线结构的同步串行 口的工作原理和时序分析，设计如图 3 所示的 接口电路。DSP(TMS320F 2407) 的 SPISTE 接地， 使同步串行口处于从动 使能状态；DSP 的 IOPE1图 3 TMS320F2407 与AD73360 接口电路与 AD73360 的
9、RESET 和CE 相连接，控制 AD73360 的复位和串行口使能；AD73360 的 2 个帧同步信号接成帧同步返回环方式， 即输出的帧同步 SDOFS 作为输入帧同步 SDIFS，同时 连接 DSP 的 XINT1 输入端，作为 DSP 的收/ 发数据 的帧同步信号。并根据 AD73360 的时序要求，通过软 件设计，实现 DSP 与 AD73360 的数据通讯。图 1 AD73360 引脚图式：编程模式、数据模式和混合模式。编程模式只接收控制命令字，用于对各个控制寄存器的设置；数据 模式只输出采样数据；混合模式允许在输出采样数据 的过程接收控制字。AD73360 复位后，各控制寄存器全
10、部清零，默认 采样率为 MCLK/ 2048，SCLK 的频率为 MCLK/ 8，各 A/ D 转换通道均处于停止工作状态，同步串行口工作 在编程模式，等待微处理器对控制寄存器进行初始 化。并且在每个采样周期输出一个帧同步信号 SDOFS ，但在 SDO 数据输出线上输出无效数据。4TMS320F2407 与 AD73360 接口软件设计AD73360 工作在主动方式，因此，DSP 的同步串 行口必须工作在从动方式。DSP 在 AD73360 的 SDOFS 帧同步信号的作用下，通过串行口实现对 AD73360 的 初始化和读入 A/ D 采样数据。4.1AD73360 初始化程序设计DSP
11、采用查询方式对 AD73360 进行初始化。当 DSP 的 IOPE1 输出电平由低变高时，使 AD73360 同 步串行口使能有效、同时复位过程结束，复位后， AD73360 串行口被置为编程模式，并在每个采样周期 SDOFS 端输出一个 SCLK 时钟周期的帧同步脉冲，由 于电路连接为帧同步返回环方式，该脉冲即为 SDIFS 端的输入帧同步脉冲。每个帧同步脉冲允许 SPORT 接 收一个 16 位控制命令字。同时，当 DSP 检测到 XINT1 引脚的上升沿时，在表中查出一个控制字，装入 SPI 发送缓冲寄存器 SPITXBUF，并激活 DSP 的 SPI 串行 口，在移位脉冲的控制下，通
12、过数据线 SPIOSMI 移入 AD73360 移位寄存器。当 DSP 检测到 16 位数据发送 完时，复位 SPI 串行口。同时，AD73360 根据接受数 据的高 8 位，将低 8 位装入相应的控制寄存器。DSP 重新查询 XINT1 引脚的上升沿，发送下个控制字。当 第 8 个控制字 (数据模式控制字) 发送完毕，AD73360 初始化过程结束，此后不再接受控制命令，转入数据 模式，发送采样数据。4.2采样数据读取程序设计AD73360 初始化完成后，DSP 用中断方式实现对 采样数据的读取。AD73360 在每次 A/ D 转换完成后， 发送 6 个通道的采样值，在发送每个采样值的前一
13、个移 位脉冲先发送一个帧同步信号。该信号的上升沿产生 XINT1 中断，在 XINT1 中断服务程序中先复位 SPI、 清除接受的无效数据，再开 SPI 中断并激活 SPI 串行口 允许接收数据。在 SCLK 的作用下，将 AD73360 的采 样数据，通过 SPISIMO 移入 DSP 的移位寄存器，当16 位采样值接收完毕，SPI 产生中断，SPI 中断服务 程序保存采样值，修改地址指针，并禁止 SPI 串行口中断。当 6 个通道的采样值全部接收完毕，只有再次 A/ D 转换完成，由 XINT1 中断激活 SPI 串行口，才AD73360 串行口时序如图 2所示3。图 2 AD73360
14、串行口时序2TMS320F2407同步串行口TMS320LF2407 DSP 的 16 位同步串行口 SPI可工作于主动或从动 2 种工作方式4。它只有一个移位寄存器，仅含有 4 条通讯总线：SPISOMI 从动输出/ 主 动输入数据线；SPISIMO 从动输入/ 主动输出数据线； SPICLK 串行同步时钟；SPISTE 从动方式 SPI 端口使 能，由主控机输入，低电平有效。SPI 接口多个数据发 送和接收时，在 SPICLK 控制下，数据是连续传输， 每个数据间没有间隔，除非 SPISTE 无效，才能停止数 据的传输。3TMS320F2407 与 AD73360 接口电路设计TMS320
15、F2407 和 AD73360 都有一个 16 位的同步 串行口，但 4 总线结构与 6 总线结构的通讯标准不 同，因此，TMS320F2407 必须进行总线扩展，才能与 AD73360 的 6 线结构串行口相连。否则，将无法保证Mining & Processing Equipment通用允许接收数据。.由于 DSP 采用 XINT1 和 SPI 两个中断源，不仅保证 DSP 与 AD73360 不同通讯总线的数据帧同步传 输，而且使主程序有充分时间对采样数据进行分析处理，保证数据无间隙采样和数据分析。 初始化和采样数据读取程序清单如下。GISR1：LDP LACC ADD；INT1 中断程
16、序#0E0HPIVR，1；取二级中断矢量#PVECTORS ；中断跳转表首址BACC ；转对应中断程序入口XINT1 中断启动 SPI XINT ：;I/ O 端口初始化及复位 AD73360；LDP#DP_PF2；7080H-70FFHLACLMCRC AND #0FFBFHLDPSPLK SPLK SPLKDP_PF1#000FH，SPICCR#0001H，SPICTL#800FH，SPICCR；复位 SPI，暂停 1 周期；从机接收，中断使能；启动 SPI，16 位格式SACL MCRCLACLMCRA ；定义 IOPE1 为一般 I/ OAND #0FFFDHCLRCINTM RET
17、；系统开中断SACL MCRA；定义 IOPA2为一般I/OLACL AND SACLLACL OR SACLLDPSPLKPEDATDIR #0FFDFH PEDATDIR ；复位PEDATDIR #0020H；SPI 中断读一个采样值SPIINT：AD73360LDPLACL MAR SACL BANZ ADRK LAR LDP SPLKSPIINT1：#0E0H；7000-707FH 页地址SPIRXBUF ；读 SPI 接收的采样值*，AR7 ；基地址PEDATDIR ； 选通、启动 AD73360*+ ，AR6 ；保存采样值#0E0H；7000H-707FH 页地址SPIINT1，A
18、R4 ；6 个采样值没有读完转#000FH，SPICCR ；复位 SPI，16 位格式#1；AR4+1 待处理采样次数SPLK #0002H，SPICTL ；从机方式，允许发送查询方式初始化 AD73360AR6，#5 ；AR6 采样值个数#0E0H#000FH，SPICCR；复位 SPI，停止接收；LACC LAR MAR CSH0 ： LDP CSH1 ： BITBCNDLDP TBLRADDSPLK CSH2 ：BITBCND SPLK#KZBAT AR0，#7*，AR0 ；控制字首地址；循环次数CLRC INTMRET； 控制字表 KZBAT ：；系统开中断；中断返回#DP_PF2PA
19、DATDIR，13CSH1,NTC ；TC；查询帧同步信号= 0 转 CSH1.WORD8106H；向 CRB写入05H：DMCLK=MCLK ；SCLK=DMCLK/ 4 ;；采样率=DMCLK/ 102482C1H ；向 CRC 写入 C1H：5V 工作；2.5 V 基准，6 通道全加电#DP_PF1 ；地址 7041HSPITXBUF ；取控制字送发送缓冲区#1 ；地址 1.WORD#008FH，SPICCR ；启动 SPI，16位格式.WORD8388H；向 CRD 写入 88H：通道 1、2 工作；放大器增益均设置为0dB ；向 CRE 写入 88H：通道 3、4 工作；放大器增益均
20、设置为 0 dB；向 CRF 写入 88H：通道 5、6 工作；放大器增益均设置为 0 dB；向 CRG 写入 00H,；1 至 6 通道设置为差动工作方式；向 CRH 写入 00H，；设置 1 至 6 通道为同相输入方式；向 CRA 写入 01H，；设置为数据模式,禁止软复位SPISTS，9 ；查询发送状态CSH2，NTC；TC = 0，未发送完转 CSH2.WORD8488H#000FH，SPICCR；复位 SPIBANZ CSH0 ；AR00； 中断方式读取采样值转，AR0-1.WORD8588HLDPLACL ORSACL SETC CLRC CLRC CLRC LDPSPLK SPL
21、K LDPSPLK CLRC DP_PF2MCRA #0002HMCRA ；定义 INTM SXM OVM CNF #0#20H ，IMR 0FFFFH，IFR DP_LF1.WORD8600H.WORD8700HIOPA2为XINT1方式.WORD8001H5结语本文介绍了 TMS320F2407 和 AD73360 接口电路 的软硬件设计方法。实践表明，由 TMS320F2407 和 AD73360 构成的数据采集和处理系统可方便地对 6 路 (可扩展至 48 路) 相关联信号进行同时采样、程控增益 放大、抗混叠滤波，且具有硬件结构简单、测量精度 高、工作稳定和可程控选择采样率、抗混叠滤波
22、频率等 优点。其设计方法已在矿山设备机械故障诊断、电力#8007H ，XINT1CR；上升沿，开中断INTM ；系统开中断； 有采样数据进行数据处理XHCL ：.系统参数测量等数据采集系统中获得(下转第107页)110066Mining & Processing Equipment通用论文编号：1001-3954(2007)07-0107-109利用报废车床改制缸体除锈珩磨机张建军大同煤矿集团力泰有限责任公司 山西大同 037036摘要：阐述了如何利用失精报废马鞍型车床改制成缸体除锈珩磨机的内容，以原报废车床为基体，缸体夹紧采用原车床$ 500 四爪卡盘，重新设计中心架，使缸体定位。珩磨运动机
23、构 通过珩磨头、拖板尾架来实现。根据珩磨原理设计液压系统、液压缸及电气系统，从而使一 台报废车床得到再利用，解决了液压缸体的除锈问题，填补了盲孔珩磨加工除锈的空白。 叙词：报废车床 改制 缸体 珩磨机液 压油缸是液压支架的重要部件，使用过程中由2 设计内容2.1 夹紧定位装置的设计根据油缸为轴类零件的特点，夹紧定位方式采用 卡盘夹紧中心架支承。由于油缸外表面为非加工毛坯 面，与内孔表面不同轴，因此只能采用四爪卡盘夹 紧。通过靠近缸底一侧的架口找正，使内孔轴线基本 与主轴轴线重合。其偏差可控制在 12 mm 以内。因 公司修理的缸筒外圆最大直径为 $ 275 mm，所以选用 原车床使用的 $ 5
24、00 mm 的四爪卡盘。液压缸长期在井下恶 劣的环境下工作，缸体外 表面锈蚀较为严重。架口 被锈蚀，中心架上使用的 铜质或铸铁支承爪会很快 磨损，不利于正常的生产 加工。因此，将中心架上3 个支承爪全部设计为滚 动摩擦，减小了磨损，从 而保证加工的顺利进行(如于受其生产环境、工作介质及使用时间的影响，在缸筒内壁形成不同程度的氧化生锈或腐蚀成斑，仅靠清洗无法复原，去锈除斑的唯一途径就是采 用内孔珩磨加工工艺，使其在大修公差范围内修复回 用。而液压缸体是一端封闭的盲孔缸筒，修复缸体相 当于盲孔珩磨。现有 M4120 深孔珩磨机无论从结构上 还是规格上都无法实现盲孔珩磨，致使大量的缸体不 得以将缸底
25、锯掉，再制造新缸筒加以补充，费工费 料，大量资金外流，给工厂造成了很大的损失。所 以，解决盲孔珩磨势在必行。就目前市场价格来讲，购买 1 台深孔珩磨设备约 需 3040 万元，为节省资金就是利用现有设备，拓展 加工能力。公司现有 1 台报废车床 C630，主轴箱等部 件运转仍然正常，其主轴与导轨之间的距离足以满足 盲孔缸筒的装夹要求。根据珩磨加工只改变表面粗糙 度而不改变形位公差的特点，保留车床床头箱的主运 动机构实现珩磨加工的主运动，其它部分局部设计改 造，使其能符合深孔珩磨加工除锈的要求。图 2 中心架支承爪图1工作原理根据原车床的性能及珩磨加工的要求，并考虑到图 2 所示)。2.2珩磨运
26、动机构的设计根据珩磨加工的特点，其进给运动包括 2 部分内容。(1) 珩磨头的轴向往复运动 参考 M4120 深孔珩 磨机，珩磨头的往复运动以液压系统控制液压油缸活 塞杆的往复运动，牵引着拖板后尾架，通过与后尾架 相关联的珩磨杆，带动珩磨头做往复运动。液压系统原理图如图 3 所示。系统通过控制电路 中的限位开关控制三位四通电液动换向阀实现自动换 向。由于珩磨头在往复运动过程中都在进行磨削，为 了达到很好的磨削效果，保证往复运动的速度不发生 大的变化，因此在液压系统中采用了双向节流调速回工件盲孔缸筒的结构特点，整体结构采用工件由原车床床头箱主运动机构 带动做径向旋转运 动，珩磨杆带动珩磨 头做轴
27、向往复运动实图 1珩磨原理图现缸体珩磨 (图 1 所示)。作者简介：张建军，男，1973 年生，山西应县人，1995 年毕业于山西机械工业学校机制专业，现在大同煤矿集团力泰有限责任 公司生产技术部工作。(上接第106页)应用，取得了良好的效果。34AD73360 Six-Input Channel Analog Front End, Analog Devices, Inc., 2000TMS320LF2407 DSP CONTROLLER.Texas Instruments Incorpor- ated, 2004参 考1 潘焕成，赵卫东新型 A/ D 外电子元器件，2002(4)文 献变换器
28、 AD73360及其应用国5姜思敏TMS320LF24x DSP出版社，2003 硬件开发教程北京：机械工业2 黄俊杰，毛晓波，黄云峰基于- AD 转换器的同步数据采集系统电测与仪表，2004(7)(收稿日期：2006-12-15)(修改稿日期：2007-04-28)Mining & Processing Equipment通用Your request could not be processed because of a configuration error: Could not connect to LDAP server.For assistance, contact your network support team.file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt涵盖各行业最丰富完备的资料文献，最前瞻权威的行业动态，是专业人士的不二选择。file:/C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58
