摘 要：根据title="MAXIM">MAXIM公司的12位串行模数转换芯片MAX1270及TI公司TMS320C5402DSP的多通道缓冲串口(McBSP)的工作原理，设计了高速传输通道，采用McBSP的SPI(Series Protocol Interface)工作模式，将McBSP与MAX1270直接相连，不需要占用并行数据总线，避免了总线冲突。给出了MAX1270与TMS320C5402的McBSP的接口电路及软件编程实现。
关键词：TMS320C5402；MAX1270；多通道缓冲串口；SPI
TMS320C5402是一种具有高处理能力和低功耗特性的16位定点DSP芯片，处理能力高达100MIPS，其多功能串口McBSP(Multi-channel Buffered Serial Port)不仅可以完成标准串口的全双工串行通信，还具有支持SPI设备、多达128个通道的数据收发能力等特性。核心电压为1.8V，I/O电压为3.3V，尤其适合于便携式设备。MAX1270是8通道、多量程双极性输入、串行输出、逐次逼近型12位AD转换器。支持SPI/QSPI和MICROWIRE等多种接口方式，可方便地与各种微控制器直接级联。
1 MAX1270原理
1.1 MAX1270引脚功能
MAX1270引脚分布如图1所示。
各引脚功能如下：1-VDD：+5V电源输入；2，4-DGND：数字地；5-SCLK：串行时钟输入，为串口数据的输入输出提供移位时钟；6-
：片选输入端，低电平有效，当为高时，DOUT呈高阻状态；7-DIN：串行数据输入引脚，从该引脚写入控制字；8-SSTRB：转换完成指示引脚，在不同的时钟模式下，该引脚的高低电平变化反映转换是否完成；10-DOUT：串行数据输出引脚，用来输出转换结果；
方法：掉电模式控制输入端，低电平有效，正常工作模式下置高；12-AGND：模拟地；13～20-CH0～CH7：模拟信号输入端；21－REFADJ，参考电压输出/外部调节输入；23－REF，参考电压缓冲输出/ADC的参考输入。
1.2 MAX1270的控制字
MAX1270的控制字如表1所示。
其中PD0、PD1为时钟模式选择位，其取值与相对应的功能如表2所示。
在外部时钟模式下，串行数据的输入、输出和数据的采样保持、转换全部由SCLK输入的外部时钟所控制。在内部时钟模式下，数据的转换时钟由芯片内部产生，从而减轻了外部微控制器的负荷，提高了工作效率。本文所设计的系统就是工作在内部时钟模式下，由DSP提供2MHz的时钟。由于DSP的收发寄存器为16位，故采用16个时钟周期转换一个数据的工作时序，使得每次转换只需分别读写一次寄存器，大大简化了软件的设计。在此模式下，转换速率可达到43ks/s。
RNG、BIP两位决定了模拟电压的输入极性和范围，其取值与相对应的功能如表3所示。
MAX1270具有软件可编程极性选择功能，只需要写相应控制字就可轻松实现，这一特点降低了输入电路设计的复杂性。对于单极性输入，转换结果为12位二进制码；对于双极性输入，转换结果为12位二进制补码。只要把存储转换结果的变量定义为有符号整数类型（signed int）就可正确读取结果。
SEL2、SEL1、SEL0为模拟通道选择位，其取值与相对应功能如表4所示。
START位为控制字的开始位，在CS低电平期间标志着8位控制字的开始，其后的控制字在SCLK作用下先高位后低位的顺序由DIN输入[2]。
2 McBSP原理
McBSP内部结构如图2所示，包括数据通路和控制通路两部分，并通过7个引脚与外部器件相连。
各引脚功能：DX为发送引脚，与McBSP相连接；DR为接收引脚，与接收数据总线相连接；CLKX为发送时钟引脚；CLKR为接收时钟引脚；FSX为发送帧同步引脚；FSR为接收帧同步引脚。
在时钟信号和帧同步信号的控制下，接收和发送过程通过DR和DX引脚与外部器件直接通信；DSP内部对McBSP的操作是利用16位控制寄存器，通过片内外设总线进行存取控制。数据发送过程：将数据写入数据发送寄存器DXR；然后，发送移位寄存器XSR将数据经DX引脚移出发送。数据接收过程：通过DR引脚将接收的数据移入接收移位数据寄存器RSR中；然后，将这些数据分别复制到接收缓冲寄存器RBR和DRR中；最后，由CPU或DMA控制器读出。这个过程允许内部和外部数据通信同时进行[3]。
3 TMS320C5402与MAX1270的接口设计
3.1 接口时序
TMS320C5402的McBSp与MAX1270都支持SPI（Series Protocol Interface）总线协议。SPI总线是Motorola公司推出的三线同步接口，同步串行三线方式进行通信：一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO；用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通信。SPI主要特点有：可以同时发送和接收串行数据；可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟；发送结束中断标志。传输的起始由主机的时钟信号控制，一旦检测到主机有时钟信号发出，主机和从机的通信就开始，分别在时钟的不同跳变沿发送和接收数据，当主机时钟信号结束时，通信就停止，在通信过程中从机的片选信号要保持有效。
本文采用MAX1270内部时钟模式下16时钟周期的工作时序，由5402作为主机提供串行时钟，MAX1270作为从机输出转换结果，其时序如图3。
当片选信号CS置低时，主机的串行时钟开始发出时钟信号，在时钟的每个下降沿主机向DIN上写数据，在时钟的每个上升沿数据打入从机。在DIN上第7位控制字建立的上升沿开始采样模拟电压信号，并保持2个外部时钟周期和4个内部时钟周期，随后在第8个控制字之后的下降沿转换开始。转换的过程中，SSTRB置低直到转换完成，查询此引脚的状态可判断转换是否完成，同时为了去除噪声干扰，
在转换过程中应保持高电平直到转换完成。转换完成后，12位转换结果由高到低由从机输出到DOUT上，并在每个时钟的上升沿打入主机，从而得到转换结果。
由图3的时序图可以看出，每次转换都必须写入控制字，相邻两次转换的控制字之间间隔16个时钟周期，两次转换结果同样间隔16个时钟周期，而且如果在第一次读取结果的D3位同时在DIN上写入下一次的控制字，在下个周期到来时就可以直接读取结果而不用在等待一个空周期。这样可以充分利用SPI总线的特点，在一个周期内主机写DIN读DOUT，而从机写DOUT读DIN。由于McBSP的DXR(发送寄存器)和DDR(接收寄存器)都是16位的，故选择了16个时钟周期的工作时序与之相匹配。
3.2 接口电路
根据McBSP的引脚特性和上述时序分析，设计了如图4的接口电路。
5402作为主机通过Mcbsp0的时钟输出引脚BCLKX0给MAX1270提供串行时钟，通过帧输出引脚BFSX0选通MAX1270，通过BDX0引脚写入控制字。同时，通过BDR0引脚接收转换结果，并把BCLKR1设置成通用I/O与MAX1270的SSTRB引脚相连，通过查询此引脚的状态来判断转换是否完成。
由于5402的I/O管脚电压为3.3V，而MAX1270的I/O管脚电压则为5V，因此在MAX1270向5402传输的方向上加了一片电平转换芯片74LVC4245A，把5V的TTL电平转换成3.3V的TTL电平，以避免5402无法承受高于3.3V的电压而烧毁芯片。
3.3 软件设计
软件设计分为初始化和数据传输两大部分。
初始化部分包括5402的初始化和McBSP的初始化，其中5402的初始化是对系统上电复位后对DSP的整个工作坏境的基本设置，包括对系统时钟、处理器工作方式、存储器分配、中断、外设等待状态等的设置。而对McBSP的初始化则是软件设计的核心，其步骤如下：
(1)禁止McBSP0发送器发送，接收器接收。
(2)设置5402为SPI主机模式，串行时钟采用5402主时钟的50分频，在时钟的上升沿接收数据，在时钟的下降沿发送数据，接收数据为右对齐高位补零格式。
(3)设置每个帧信号由DXR(数据发送寄存器)向XSR(发送移位寄存器)复制数据时产生，接收和发送都为单项帧，每帧一个数，每个数16位。
(4)使能McBSP0接收器，发送器。
(5)等待两个时钟周期，保证内部信号同步，接收器和发送器激活[1]。
数据传输部分完成控制字的写入和转换结果的保存，其步骤如下：
(1)向DXR中写入控制字，查询发送控制字状态，确认发送完成。
(2)查询SSTRB状态，确认转换完成。
(3)查询接收控制字状态，确认接收完成，从DRR中读出转换结果。
(4)循环执行上述步骤。
软件基本流程如图5所示。
3.4 实验结果
图6为采集由信号发生器产生的1kHz的正弦波的结果。其中横坐标为连续时间段内采集数据的序号，纵坐标为转换后的数字量结果。由图可以看出，采集的数字量很好地复现了模拟电压波形。而实际上，图中一个周期的正弦波之间是43个点，说明了对于1kHZ的正弦波，每周期采样43次，由此可知采样率达到了43kHz。这与MAX1270内部时钟工作模式的最大采样率完全一致，而且可以实现双极性采样，证明了本设计在实践中是可行的。
本文详细介绍了MAX1270与TI公司的16位高性能定点DSP TMS320C5402之间的SPI接口设计和编程实现。实现了MAX1270真正的SPI接口，并达到了最大内部转换速率43kHz。基于SPI接口的特点使得电路设计十分简洁，软件编程采用C语言完成，通俗易懂且可移植性强，已经应用在光栅信号的采集、细分与辩向系统中，有一定的实用性。
参考文献
[1] 张勇．C/C++语言硬件程序设计[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2003.
[2] MAXIM Corp，MAX1270/MAX1271 Data Sheet[Z]，2004.
[3] 汪安民，陈明欣，朱明．TMS320C54xx实用技术[M]．北京：清华大学出版社，2007.