基于TMS320VC5509与AD7322的数据采集系统的设计

摘要：为了提高数据采集系统的采样速度、转换精度、降低系统功耗，设计了一种采用TI公司的C5000系列定点DSP芯片TMS320VC5509和ADI Device公司的2通道的、软件可选的、双极性输入的、最高转换速率是1MSpS、12位的带符号的逐次逼近型串行AD7322的数据采集系统，并阐述了该系统的主要硬件电路的搭建原理、连接方法以及采集过程。该系统的前端数据采集单元采用2160像元的TCD1206SUP线阵CCD作为图像传感器，CCD输出的视频信号经过一个二阶有源低通滤波电路进行滤波后，被高速串行A／D转换器AD7322采集并转换成数字信号，然后将数字信号送进DSP。通过测试表明，该系统设计方案合理，达到了设计目的和要求。

关键词：TMS320VC5509；AD7322；数据采集；电路连接

在以DSP为主的嵌入式应用系统中，经常用到前端数据采集单元，在该单元中对所采集的信号进行滤波，然后经过A／D转换器进行模数转换，最后将采集到的信号传入DSP芯片中。这里给出了一种采用TI公司的C5000系列定点DSP芯片TMS320VC5509和ADI Device公司的2通道的、软件可选的、双极性输入的、最高转换速率是1MSpS、12位的带符号的逐次逼近型串行AD7322的数据采集系统。

1 关键硬件接口电路实现

1．1 CCD模块

采用东芝公司的TCD1206SUP线阵CCD，TCD1206SUP器件是一种典型的双沟道线阵CCD器件，具有较高的灵敏度和很低的暗电流噪声，光敏像元数目为2160，每个光敏单元的尺寸为14μm、14μm高，中心距亦为14μm，光敏元阵列总长为30．24 mm。有4档驱动频率可以设定，分别为500 kHz，250 kHz，125 kHz，62．25 kHz。对外接口采用标准的9针(DB9)连接。其中FC为行同步脉冲信号，其高电平到来标志着一行输出的开始。SP为像元同步脉冲，对应一行中每一个点的输出。U0为经过放大输出的视频信号，A0～A3为积分时间设置端口，+5 V和+12 V为直流电源，GND为地线，驱动器的地线与DB9连接口的外壳相连。积分时间控制信号A0～A3均为标准TTL电平控制，0000～1111分别控制16档积分时间变换；0000时间最短，1111时间最长。

1．2 低通滤波电路

由于CCD输出的视频信号中，混杂有幅度较大的复位脉冲干扰和携带有高频噪声信号，为了削弱频率较高的干扰、噪声，在CCD与AD转换器之间加一个二阶有源低通滤波电路，滤去高频干扰信号，以保证硬件电路的系统精度。低通滤波电路如图1所示。

图2中的放大器为精密低噪声运算放大器OPA121，它是一个低成本高速FET场效应管差分输入精密运算放大器，差模和共模阻抗都很高。偏置采用共射共基电路，具有很低的输入偏流，并且有调零输出端。片内有经激光修正、电解质绝缘防护和新的电路设计，使芯片获得了极小的偏流噪声和很低的漂移。OPA121的8脚为芯片基底连接，一般不需要调零。但是若要调零，在1、5脚与负电源接入10 kΩ多圈电位器即可，调整范围为±10 mV。在使用时要对输入端适当进行保护，否则就会失去运放的固有特性。而且电容C的容量不易超过1μF，因为大容量的电容器体积大，而且价格高，应尽量避免使用。其中电阻R2=R3=R=6．4 kΩ，电容C10=C11=C=0．1pF，这样计算出该滤波电路的截止频率和增益分别如下式：

f-3dB=1／2πRC=250kHz (1)

G=1+(R5／R4)=1.57 (2)

1．3 A／D转换

AD7322是ADI Device公司的2通道的、软件可选的、双极性输入的、最高转换速率是1MSpS、12位的带符号的逐次逼近型串行AD。它有以下特点：软件可选的输入电压范围有±10 V，±5 V，±2．5 V，0 V～+10 V；2个模拟输入通道，可以配置成单端模拟输入、真差分模拟输入、伪差分模拟输入；低功耗，其最大功耗30 mW；自动节电功能；模拟输入阻抗高；内置2．5 V的参考电压。

AD7322的功能结构如图2所示。其中是片选信号，低有效。这个脚的输入电平有两个功能，一个是AD7322转换初始化的标识，一个是串行数据搬移帧的标识。VIN0、VIN1是模拟输入通道0和模拟输入通道1，模拟输入通道的转换是通过控制寄存器的通道地址位ADD0来进行选择。如前文所述，输人通道可以接收±10 V，±5 V，±2．5 V的双极性电压输入，也可以接收0～+10 V范围的单极性电压输入。VSS是为模拟输入部件提供的负极性电压，VDD是为模拟输入部件提供的正极性电压。VCC是提供给AD7322片上的ADC的核心电压2．7～5．25 V，该端去耦到模拟地。VDRIVE提供输入的逻辑电压，这个电压决定了片上接口工作的电压范围，该引脚去耦到数字地，而且该电压可能与VCC引脚上的电压不相同，但是不能超过VCC电压的0．3V。REFIN／OUT是输入输出参考电压，AD7322包含一个2．5 V的内部参考电压，当选用内部参考电压时，在这个引脚上要放置一个680nF的电容，当使用外部参考电压时，内部参考电压失效。DIN是数据输入引脚，该引脚上的数据是写到片上寄存器中的数据，并在SCLK时钟的下降沿打入到寄存器中。DOUT是串行数据输出引脚，转换的输出数据以一个串行数据流形式输出在该引脚上，并且这些数据位在输入SCLK的下降沿被输出，经过16个SCLK后才可以访问这些数据。这个数据流包含2个前导0，1个通道说明位，1个符号位，12个转换数据位。输出的数据的第一位以高字节开始。SCLK是串行时钟输入，一个串行时钟输入需要提供给SCLK来用做从AD7322访问数据的时钟。这个时钟也用做转换过程的时钟源。