ROFIBUS從站智能協(xié)議芯片DPC31與模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705接口設(shè)計(jì)

1、PROFIBUS從站智能協(xié)議芯片DPC31與AD7705接口設(shè)計(jì)Interface Design of PROFIBUS Intelligent Slave ASIC DPC31 and AD7705作者：徐秀杰 張永德（北京化工大學(xué)信息學(xué)院 北京 100029）摘要：PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。為開(kāi)發(fā)PROFIBUS-PA智能儀表，講述了DPC31的SSC接口和基于技術(shù)的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705的原理，給出了一種用AD7705、DPC31實(shí)現(xiàn)的符合PA行規(guī)“模擬量輸入”功能塊的三線串行接口模型。關(guān)鍵字：低功耗 模數(shù)轉(zhuǎn)換 技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào)：TP2Abstract:

2、PROFIBUS fieldbus systems have been applied in many areas. For developing intelligent PROFIBUS-PA instruments. This paper introduces the principle of SSC interface in DPC31 and the 16 bits ADC AD7705 based on the technology of and provides a three lines serial interface model with AD7705 and DPC31 c

3、omplying with PA profile on “analogue input” function block.Key words: low-power analog-to-digital conversion technology of sigma-delta0. 引言如何將現(xiàn)實(shí)的模擬世界和電子的數(shù)字世界相連接起來(lái)是智能化儀器儀表的關(guān)鍵所在。AD轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，以便于數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。在PROFIBUS-PA總線系統(tǒng)中，由于其應(yīng)用環(huán)境的特殊性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表所需器件也更為嚴(yán)格的要求。1. PA儀表PROFIBUS-PA總線系統(tǒng)將過(guò)

4、程控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如壓力、溫度和液位變送器等)連接起來(lái)，代替了4-20Ma模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。它通過(guò)數(shù)據(jù)導(dǎo)線向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電，可在防爆區(qū)域中應(yīng)用。應(yīng)用于流程控制的PA儀表是FCS中的關(guān)鍵設(shè)備，有著很大的市場(chǎng)需求。PA行規(guī)支持不同制造商生產(chǎn)的PA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可互換性和可互操作性，采用國(guó)際公認(rèn)的功能塊模型來(lái)描述設(shè)備功能和參數(shù)。這些功能塊表示不同的用戶(hù)功能。例如符合PA行規(guī)的壓力變送器，它就是用“模擬量輸入”功能塊來(lái)描述的，如圖1所示。圖1.在PROFIBUS-PA行規(guī)中的參數(shù)圖例（壓力變送器）Fig. 1: Example diagram of PROFIBUS-PA profile paramet

5、er(pressure transmitter)PA儀表多用于防爆場(chǎng)合，采用總線供電方式，整個(gè)儀表的功耗不得超過(guò)250mW，因此要求所選器件功耗盡可能降低。在對(duì)PROFIBUS協(xié)議的實(shí)現(xiàn)部分，可以采用西門(mén)子提供的2 / 8PROFIBUS協(xié)議專(zhuān)用ASICs芯片。DPC31是一種用于DP或PA從站的智能通信協(xié)議芯片，其中集成了C31內(nèi)核，由于該芯片具有低功耗管理系統(tǒng)，因此特別適合用于本質(zhì)安全場(chǎng)合。另外，DPC31還集成了一個(gè)通用的同步串行（SSC）接口模塊，并有對(duì)應(yīng)控制寄存器，可直接與具有SPI接口的A/D轉(zhuǎn)換器或EPROM相連。由于對(duì)低功耗的要求，傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器無(wú)法滿(mǎn)足要求。美國(guó)AD公司推

6、出的AD7705適用于低頻測(cè)量?jī)x器的AD轉(zhuǎn)換器，它能直接將從傳感器接收到的很弱的輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，而無(wú)需外部?jī)x表放大器。它具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗等特點(diǎn)，可以消除零點(diǎn)誤差、滿(mǎn)量程誤差及溫度漂移的影響，該器件適用于便攜式工業(yè)儀表，便攜式重量計(jì)和壓力傳感器。具有三線串行SPI接口，是PA產(chǎn)品的理想選擇。2. DPC31的SSC接口模塊12.1專(zhuān)用寄存器在DPC31的SSC接口模塊中，包括六個(gè)專(zhuān)用寄存器單元，用戶(hù)可對(duì)其直接尋址。通過(guò)對(duì)這些寄存器的讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)與AD7705通訊及控制。（1）四個(gè)既可讀又可寫(xiě)的寄存器：地址 0020h：SPI接

7、口的接收緩沖區(qū)。地址 0021h：SPI接口的狀態(tài)寄存器。包括接收緩沖區(qū)滿(mǎn)標(biāo)志、發(fā)送緩沖區(qū)空標(biāo)志及錯(cuò)誤信息等。地址 0022h：SPI接口的控制寄存器1。接收發(fā)送的數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)鎖存控制及奇偶校驗(yàn)控制。地址地址 0023h：SPI接口的控制寄存器2?？刂泼看蝹魉蛿?shù)據(jù)的位數(shù)。（2）兩個(gè)只寫(xiě)寄存器：地址 0024h：SPI接口的中斷使能寄存器。包括接收和發(fā)送中斷、奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤中斷使及其它接收錯(cuò)誤中斷的使能。地址 0025h：SPI接口的波特率寄存器。2.2 工作原理SSC模塊包括一個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)送通道，每個(gè)通道包括一個(gè)9位的移位寄存器和一個(gè)8位緩沖區(qū)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)已經(jīng)送出即發(fā)送緩沖區(qū)

8、為空，狀態(tài)寄存器中的位“Transmit Buffer Empty”被激活置1，如果中斷使能寄存器中相應(yīng)的中斷使能被允許，就會(huì)激發(fā)DPC31的中斷寄存器中SSC接口中斷。當(dāng)用戶(hù)向發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，狀態(tài)寄存器中的位“Transmit Buffer Empty”為0，等到發(fā)送移位寄存器空時(shí)，發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送入，時(shí)鐘信號(hào)SSCLK只有在移位過(guò)程中才會(huì)產(chǎn)生。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，收到的位數(shù)據(jù)流進(jìn)入接收移位寄存器，當(dāng)收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位時(shí)，送入接收緩沖區(qū)，狀態(tài)寄存器中的位“Receive Buffer Full”被激活置1。如果中斷使能寄存器中相應(yīng)的中斷使能被允許，就會(huì)激發(fā)DPC31的中斷寄存器中SSC接

9、口中斷。當(dāng)出現(xiàn)奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤、接收緩沖區(qū)溢出或總線忙時(shí)，也會(huì)激活狀態(tài)寄存器中的相應(yīng)位，如果中斷使能位允許，產(chǎn)生SSC接口中斷。如果所有的中斷使能都不允許，也可通過(guò)循環(huán)查詢(xún)狀態(tài)寄存器中相應(yīng)位分別處理數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。3. AD7705結(jié)構(gòu)及工作原理2 33.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD7705內(nèi)部包括多路模擬開(kāi)關(guān)、模擬輸入緩沖器（PGA）、可編程模擬放大器、-2 / 8ADC調(diào)制器、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓輸入、時(shí)鐘發(fā)生器以及串行接口電路等。其中串行接口包括一個(gè)寄存器組，它由通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器和滿(mǎn)標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等組成。另外還包括兩通道差分輸入。其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖

10、2. AD7705內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Figure 2: the Internal Structure of AD77053.2 工作原理3.2.1模擬信號(hào)輸入各類(lèi)傳感器輸出一般是毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是在A/D轉(zhuǎn)換之前增加一級(jí)高精度的測(cè)量放大器，因而系統(tǒng)較為復(fù)雜。而AD7705具有內(nèi)部可編程模擬放大器（PGA），可通過(guò)指令設(shè)定，對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此既可接受從傳感器送來(lái)的低電平輸入信號(hào)，亦可接受高電平（10V）信號(hào)，它利用-技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼性能。3.2.2與微處理器的數(shù)據(jù)傳送在AD7705的串行接口部分，包括6個(gè)用戶(hù)可通過(guò)串行口訪問(wèn)

11、的片內(nèi)寄存器。（1）第一個(gè)是通訊寄存器，它管理通道選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫(xiě)操作,以及下一次讀或?qū)懩囊粋€(gè)寄存器。所有與器件的通訊必須從寫(xiě)通訊寄存器開(kāi)始。上電或復(fù)位后，器件等待在通訊寄存器上進(jìn)行一次寫(xiě)操作。（2）第二個(gè)寄存器是設(shè)置寄存器，決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單雙極性輸入以及緩沖模式。（3）第三個(gè)寄存器是時(shí)鐘寄存器，包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制位。（4）第四個(gè)寄存器是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出。（5）第五個(gè)寄存器是零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705包含幾組獨(dú)立的零標(biāo)度寄存器，每個(gè)零標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀寫(xiě)寄存器。（6）第六個(gè)寄存器是滿(mǎn)標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD

12、7705包含幾組獨(dú)立的滿(mǎn)標(biāo)度寄存器，每個(gè)滿(mǎn)標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀寫(xiě)寄存器。4. 硬件設(shè)計(jì)AD7705采用三線串行口與DPC31的SSC接口連接，如圖3所示。對(duì)于SSC通道，DI/DO用于串行輸入輸出，CLK時(shí)鐘信號(hào)上升沿鎖存輸入數(shù)據(jù)。為了連接多個(gè)具有SPI接口的外圍器件4 / 8（如EPROM, AD轉(zhuǎn)換器），每個(gè)SPI器件需占用一個(gè)輸出端口線，連接/CS片選作為SPI功能使能端。圖3：DPC31的SPI接口Figure 3: SPI Interface of DPC31AD7705除了晶振和微調(diào)電容以外，幾乎無(wú)需其他元件?；鶞?zhǔn)電壓由參考源REF192提供，可以獲得穩(wěn)定的

13、3V基準(zhǔn)電壓，消除因激勵(lì)電壓變化引起的測(cè)量誤差。AD7705工作電源有模擬電源(AVDD)和數(shù)字電源(DVDD)之分，不需要特定的加電順序，可以先加AVDD或DVDD電源。需要注意，在REFIN、AIN和其他邏輯輸入引腳加入信號(hào)之前、應(yīng)給AD7705電源接通，以免發(fā)生閉鎖(Latch-up)。印制電路板必須按規(guī)格設(shè)計(jì)，要確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開(kāi)并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面可以很容易地將它們分開(kāi)。因?yàn)檫@樣能使屏蔽性能最好。AGND和DGND應(yīng)當(dāng)一點(diǎn)連接，為星形接地點(diǎn)，盡量靠近AD7705的位置，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路。另外，應(yīng)將模擬地布置在器件的下面，而不要將數(shù)字地布置在下面，因?yàn)檫@樣

14、會(huì)造成片內(nèi)噪聲成倍增加。地線和電源線盡可能粗些，以便降低線路阻抗，同時(shí)減少電源供電的尖峰信號(hào)的影響。時(shí)鐘信號(hào)不能在模擬輸入信號(hào)附近通過(guò)，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間應(yīng)避免相互交叉。所有的模擬電源都應(yīng)去耦，可用10F并聯(lián)一個(gè)0.1F的陶瓷電容接GND。4.編程要點(diǎn)：軟件設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面：(1) DPC31的SSC接口初始化：包括對(duì)DPC31中斷系統(tǒng)中SSC接口中斷屏蔽位的清除和對(duì)SSC模塊中控制寄存器、中斷使能寄存器和波特率寄存器的初始化。（2）SSC接口中斷的處理：從SSC接口的接收緩沖區(qū)中取出接收到的數(shù)據(jù)送到PROFIBUS輸入緩沖區(qū)。(3) AD7705寄存器進(jìn)行操作的時(shí)序：與AD7705通

15、訊必須嚴(yán)格按照AD7705所規(guī)定的讀寫(xiě)周期的時(shí)序進(jìn)行操作。(4) AD7705的初始化和配置：AD7705的配置與設(shè)計(jì)的硬件緊密相關(guān)，只有在正確配置的情況下硬件才能正常工作。同時(shí)，對(duì)AD7705內(nèi)每一個(gè)寄存器的配置都必須從寫(xiě)通信寄存器開(kāi)始，用戶(hù)通過(guò)DPC31的SSC模塊中的發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)入通信寄存器，完成通道的選擇和設(shè)置下一次操作寄存器的選擇。設(shè)計(jì)中，AD7705的相應(yīng)參數(shù)?。狠敵鰯?shù)據(jù)更新速率：50Hz；系統(tǒng)增益：64；有效分辨率：15位。AD7705的編程功能是用片內(nèi)寄存器的設(shè)置來(lái)控制。對(duì)這些寄存器的讀寫(xiě)操作通過(guò)器件的串行接口來(lái)完成。其串行接口包含5個(gè)信號(hào)：CS、SCKL、DIN、DOUT和D

16、RDY。DIN線用來(lái)向片內(nèi)寄存器傳送數(shù)據(jù)，而DOUT線用來(lái)訪問(wèn)寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入,所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)。DRDY線作為狀態(tài)信號(hào)，以提示數(shù)據(jù)什么時(shí)候已準(zhǔn)備好從寄存器讀數(shù)據(jù)。輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)時(shí)，DRDY變?yōu)榈碗娖?。CS是片選信號(hào)5 / 8，接低電平時(shí)器件被選中，能以三線接口模式運(yùn)行。通過(guò)對(duì)AD7705通過(guò)對(duì)片內(nèi)寄存器的編程，可以實(shí)現(xiàn)通道選擇、增益選擇、濾波頻率選擇、轉(zhuǎn)換周期選擇、自動(dòng)校準(zhǔn)和AD轉(zhuǎn)換等功能。對(duì)AD7705的任何一種操作，必須首先對(duì)通信寄存器寫(xiě)入相應(yīng)代碼，然后才能對(duì)其他寄存器讀寫(xiě)。5.結(jié)束語(yǔ)AD7705以其本身優(yōu)良特性且不需附加另外的器件而使得其在數(shù)據(jù)檢測(cè)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。在有防爆要求的PA儀表中，它成為理想的選擇。利用其設(shè)計(jì)的PA壓力變送器的原理型樣機(jī)，性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期效果。6.參考文獻(xiàn)：1 DPC31-Hardware Description. Siemens AG,1999.62 Analog Device