基于CPLD的OMAP-L137与ADS1178数据通信设计

发布时间:2010-1-14 20:55    发布者:李宽
关键词: CPLD , 设计 , 数据通信
引言

串行外围设备接口(Serial Peripheral InteRFace,SPI)总线技术是Motorola公司推出的一种高速同步串行输入/输出接口,近年来广泛应用于外部移位寄存器、D/A转换器、 A/D转换器、串行EEPROM、LED显示器等外部设备的拓展。SPI总线是一种三线同步总线(CLK、SI-MO、SOMI),可以共享,便于组成带多个SPI接口的控制系统。其传输速率可编程,连接线少,具有良好的拓展性。

ADS1178是一款典型的具有SPI接口的A/D转换器,它可以方便地与带有SPI接口的处理器或控制器相连接。OMAP-L137是一款处理能力强、外接存储空间大、集成度高、外设管理方便的新型工控芯片。

目前,ADS1178与OMAP-L137的数据通信主要通过SPI接口直接连接实现。通过配置,使OMAP-L137工作在主模式,ADS1178工作在从模式,由OMAP-L137提供用来进行数据传输的时钟。但是,采用此模式结合EDMA进行数据接收时,每接收一组采样数据都需要通过中断来改变接收数据的存放地址,即完成N组数据的接收需要N个中断来完成,这会给系统的资源管理带来很大的麻烦。

本设计使OMAP-L137、ADS1178的SPI接口工作在从模式,由CPLD作主片来提供进行数据传输的时钟。在准确、快速完成数据传输的同时,节省了处理器资源,方便了系统资源的管理。

1 硬件设计

1.1 芯片概述

ADS1178是TI公司于2008年9月推出的一款A/D控制芯片,它采用△-∑模/数转换器结构,可以达到16位的数据采集精度,并且拥有良好的交流特性。其带宽达25 kHz,具有97 dB的信噪比和-105 dB的总谐波失真。在正常工作时每通道的功耗只有31 mW,支持8路通道同时采样,并将数据依次连续地送上数据总线;在满足实时同步采样的同时,还具有52 ksps的转换速率。该芯片主要应用于三相交流电的实时监测、心电图监视器、质量流量计、振动系统的模态分析实验设计,同时还支持SPI和帧同步两种数据传输格式,并支持A/D间的级联。

OMAP-L137是TI司推出的针对工业控制领域的双核处理器,它综合了ARMDSP两个处理器各自在实时性和计算精度上的优势。两个处理器的主频均达到300MFHz(DSP的处理速度高达2 400MIPS/1 800MFLOPS)。可以外接2个存储空间EMIFA和EMIFB,并且在片上有着非常丰富的外设资源,主要针对工业应用环境的控制提供了 EHRPWM、ECAP、EQEP、 EMAC等模块,并在各控制模块和各接口之间采用EDMA3模块进行数据传递。这大大减轻了双核处理器的负担,占用很少的处理器资源,同时在两个处理器之间开辟了一块128 KB的共享存储空间,可以使数据在双核之间快速地进行交换。

1.2 硬件原理

在SPI从模式下,设计使OMAP-L137、ADS1178作从片,CPLD作主片来提供进行数据传输的时钟。OMAP-L137的SPI接口支持3针、4针、5针三种传输模式,这里采用3针模式(即CLK、SIMO、SOMI)。OMAP- L137引出一个GPIO口作同步信号线SYCN,ADS1178的READY信号线送给CPLD用来产生采样时钟,硬件连接如图1所示。CLK用来传递接收和发送数据时的同步时钟信号,SIMO在OMAP-L137作主片时为输出数据线,在OMAP-L137作从片时为输人数据线。SOMI在此模式下不被采用。

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OMAP-L137的SPI接口工作在从模式的配置如下:SPIGCR1寄存器的低2位配置为00,选择SPI工作在从模式;通过配置 SPIPC0和 SPIPC1寄存器来选择采用的针模式和引脚的信号方向,这里选择使能CLK、SIMO、SOMI三根信号线,并分别配置为输入、输入和输出;配置 SPIFMT0寄存器先输出每组数据的“大端MSB”,根据ADS1178手册中对数据输出时序的要求,配置数据在CLK信号的下降沿输出,使CLK信号工作在13MHz,同时配置现在的数据总线为16位。SPI的参考配置如表1所列。

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在采样数据送到OMAP-L137的SPI接口时,可以启动EDMA模块来对采样数据进行搬移。EDMA的触发事件为SPI的每一通道数据 (16位)的接收中断,相当于完成一组(8通道)数据的传输需要8个触发事件。EDMA的参数相关配置如图2所示。其中,OPT、DSTCINT、 SRCCIND和 CCNT都需要根据应用情况来进行参数配置。

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2 软件设计

2.1 CPLD程序设计

CPLD中主要实现ADS1178对数据格式的要求。在检测到READY信号的电平变化后,以外部时钟ECLK为时钟基准,产生128个时钟周期 (CLK)分别送给OMAP-L137和ADS1178,来完成8通道的数据传输。图3为等效原理图,CPLD程序流程如图4所示。

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5.gif

2.2 采样程序设计

代码调试中的主要工作是测试同步采样A/D的8路通道。SPI和EDMA的参考配置及使能在上面已经完成。当ADS1178开始数据采集时,通过GPIO口由OMAP-L137先向ADS1178发送一个由低变高的同步信号来通知 ADS1178开始工作。当ADS1178完成了数据转换时,向OMAP-L137发送一个由高到低的READ-Y信号,通知OMAP-L137数据已经准备就绪,等待主芯片的时钟将数据送到数据线上;并在CPLD送出采样时钟后,等待EDMA的数据接收中断,当中断到来时完成数据的采集工作。采样程序流程如图5所示。

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3 系统测试

通过示波器可以观测到CLK(图6中上面的曲线)和SIMO(图6中下面的曲线)引脚的波形图。采样结果放在数组Adresult中,如图7所示。

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从图6和图7中可以看出,采用SPI从模式的数据传输方法,可以通过CPLD上的程序设计得到128个连续的采样时钟,数据传递的连续性好,每组时钟之间不存在时钟间隔。在程序处理的后续阶段,通过配置EDMA的接收事件就可以连续接收多组数据,在数据全部接收到OMAP-L137中时触发一次中断便可完成接收工作,从而节省了处理器资源。

4 结论

在OMAP-L137与ADS1178的实时采集数据传递问题上,采用SPI主模式进行数据接收时,每接收一组数据后都需要通过中断资源来变更接收地址。而本文通过SPI从模式进行数据接收,可以在接收完多组数据后仅用一次接收中断便结束工作,节约了处理器资源,并且实际测试表明,传输数据的连续性和实时性较好。由此看出,采用SPI从模式配合CPLD来处理OMAP-L137与ADS1178数据通信问题无疑是一种很好的解决方案。

参考文献

1. 金刚,陈忠,洪跃.同步串行SPI在AD7888与AT90S8515接口中的应用[J].微计算机信息,2004,20(2):91-92.
2. Texas Instruments.OMAP-L137 Low-Power Applications Processor system Reference Guide,2008.
3. 夏宇闻.Verilog 数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

作者:任雷 林岩(北京航空航天大学) 张沫阳(北京合众达电子技术责任有限公司)  来源:《单片机嵌入式系统应用》 2009(8)
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