磁悬浮轴承控制器中MAX115与DSP的接口设计
摘 要: 本文主要讨论了一种快速多通道12位adc max115在磁悬浮轴承控制系统中的应用，详细介绍了max115的功能特点和工作过程，同时给出了max115与dsp(tms320f240)之间的硬件接口电路和数据采集程序。
引言
在五自由度主动磁悬浮轴承控制系统中，采用由工控pc+dsp控制器的架构是一种较好的方法，而dsp核心控制器则是磁悬浮轴承控制系统中非常重要的一部分，对主轴位置信号的精确采集是dsp控制器的首要任务。在本控制器中采用max115对主轴位置的模拟信号进行采集。
图1 磁悬浮轴承dsp控制器的结构简图
图2 max115与tms320f240 dsp之间的接口电路图
磁悬浮控制器中的adc选择
在磁悬浮主轴控制器的设计中，对主轴位置的测量是至关重要的。位置传感器的信号经过适当的信号调理电路处理后被传送到a/d采样通道，adc把得到的模拟信号转换成相应的数字信号，芯片采样的精度和分辨率以及采样转换时间是非常重要的技术参数，它们直接决定着控制速度和控制精度。本控制器中采用的传感器是一种电涡流位移传感器。它是一种高精度无接触式传感器。
本系统要求能分辨1mm位置信号，根据传感器的传感特性，必须要求有至少为12位的分辨率。同时本系统中要求绝对精度不低于±1lsb。由于磁力轴承系统要求的控制周期很短(一般小于200ms),故要求adc的采样时间也必须很快(一般在20ms内)。
综上考虑选用maxim公司的max115作为adc来完成主轴位置信号的采集。max115是12位2×4通道同步采样逐次比较型adc，其具有两组adc，每组4通道连续采集保持；单通道转换时间为2ms；转换精度±1/2lsb；4通道传输率为16ksps；并且内部具有2.5v参考电压和10mhz时钟，极大地精简了外部附加电路；其高速的并行接口可以方便地与dsp相连。
max115与tms320f240
的接口电路
图1是磁悬浮轴承dsp控制器的结构简图。图中4路主轴位置信号经由max115进行a/d转换后，采集结果通过中断方式输入到dsp内。dsp经过滤波算法处理后，将采集数据写到双口ram内，计算机通过isa总线访问双口ram并将其中的数据取走，进行上位机的图形显示、数据分析等功能。同时dsp进行控制算法计算，计算之后将控制数据通过控制器板卡上的4路dac输出给功率放大器，从而实现对主轴的控制。这样，利用dsp处理速度快的特点来完成算法的计算，利用pc机强大的多媒体处理特点来实现主轴位置监视和数据分析，dsp和pc同时相对独立工作，互不影响，从而加快了系统的处理速度。
max115和dsp硬件的接口设计如图2所示，max115引脚a0-a3和引脚d0-d11是具有三态的双向接口，可以直接和dsp相关引脚进行连接。为简化电路设计和增加可靠性，系统中使用的是内部基准电源，此时要将refin引脚接上一个0.1mf的旁路电容；同时使用内部时钟10mhz，并将clk引脚接上vcc。
max115与tms320f240进行接口设计时主要考虑两个问题：一是max115数据线和控制模式线共用问题。由于max115的d1/a3，d0/a2为数据和地址共用引脚，但实际设计时不能将此引脚同时连接到dsp的地址线和数据线，此处即为dsp和max115接口连接的难点。本系统设计时用一种全新的方法来实现，因为dsp有16位的数据线，而max115只需要12位数据线和2根工作模式控制引脚，所以通过将dsp的14根数据线直接接到max115上的地址和数据线，即d0接ad_a0，d1接ad_a1，d2接ad_d0，d3接ad_d1，d4接ad_d2......d13接ad_d11，当对max115进行编程时，通过可编程逻辑器件max7128进行地址选通，max7128编程采用altera公司的max+plusⅱ集成环境，使用ahdl语言编写。
... ...
max115的和信号线由dsp的和分别直接连接即可。通过dsp的数据线的d0-d3作为编程地址线从而对其工作模式进行编程。当a/d转换结束后，要从adc中读取数据，读到14位数据d13-d0时，再将所得数据左移2位，即屏蔽掉低2位无效的输入后，即可得到12位a/d采集数据。另一个问题是max115与dsp接口的速度匹配问题，由于dsp速度过快，会导致max115无法正常工作，所以系统中采用软件的方法插入等待状态，具体操作见下文的软件设计。
控制器中max115的片选()信号、转换开始()信号及读()写()信号都是由max7128产生的。max7128编程方便，易于调试，用其实现快速地址选通等功能来加快系统的处理速度。其中dsp的参与地址译码。
软件设计
dsp作为下层的cpu来控制数据采集的整个过程。本控制器设计使用的编程软件是ti公司的ccs，采用c语言及嵌入式汇编编程，这样编写的程序简洁，易于读懂。
本控制器采用4通道连续转换，a3a2a1a0=0011。上电后dsp给max115写入工作方式，然后送信号，a/d转换开始，转换完成后，max115发出请求ad_int变低，dsp中断立刻开始读取a/d转换结果。max115的与dsp的xint1相连，作为dsp的外部中断输入。当a/d转换完成后，变低，dsp进入中断服务程序，在中断服务程序中将a/d转换结果读出。这种方法应用于快速转换，只要中断来了便进行转换，充分利用了cpu的资源。下面给出了中断方式下dsp控制a/d转换的部分程序。其中主要以中断子程序为主，其它中断初始化及其dsp中断向量程序均省略。
_____ a/d转换电路 _____
data＝0x03; /*max115工作方式选择a3a2a1a0=0011*/
asm( out _data,0003h );
/*选择adc,并写入工作模式*/
asm(rpt xxx );
/*xxx为一个数值 其大小应根据实际调试而决定*/
asm( nop );
/*延时 匹配速度*/
asm( out _data,1003h );
/*a/d转换开始用地址1003h来选中信号*/
_____a/d转换结果的读取_____
void ad_int()
{ asm( in _ad_result1,0003h ); /*读入ad_ch1a转换结果*/
ad_result1=ad_result1&0x0fff;
ad_result1=ad_result1*2;
/* ch1a通道最后结果ad_result1*/
asm( rpt xxx );
asm( nop );
asm( in _ad_result2,0003h ); /*读入ad_ch2a转换结果*/
ad_result2=ad_result2&0x0fff;
ad_result2=ad_result2*2;
/* ch2a通道最后结果ad_result2*/
asm( rpt xxx );
asm( nop );
asm( in _ad_result3,0003h ); /*读入ad_ch3a转换结果*/
ad_result3=ad_result3&0x0fff;
ad_result3=ad_result3*2;
/* ch3a通道最后结果ad_result3*/
asm(rpt xxx );
asm( nop );
asm( in _ad_result4,0003h ); /*读入ad_ch4a转换结果*/
ad_result4=ad_result4&0x0fff;
ad_result4=ad_result4*2;
/* ch4a通道最后结果ad_result4*/
}
调试程序时一定要注意max115与dsp的时序配合问题，参考maxim公司的max115产品资料，根据资料所标示出的时序图来调试电路。在送a/d工作模式后，再送信号，12ms后max115输出信号，此信号可以作为a/d转换已经完成的标志。如果是多通道a/d采集，在读转换数据时，要在读每通道之间加不小于45ns的延时，这样才能保证读出数据是可靠真实的模拟信号。
结语
本文主要探讨了12位adc max115与tms320f240之间的硬件接口电路，并给出了采集程序的流程，在实际的磁悬浮轴承控制系统中采用了中断采集法，实现了对磁悬浮主轴位置的精确测量，达到了很好的效果。
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图1 磁悬浮轴承dsp控制器的结构简图
图2 max115与tms320f240 dsp之间的接口电路图
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在磁悬浮主轴控制器的设计中，对主轴位置的测量是至关重要的。位置传感器的信号经过适当的信号调理电路处理后被传送到a/d采样通道，adc把得到的模拟信号转换成相应的数字信号，芯片采样的精度和分辨率以及采样转换时间是非常重要的技术参数，它们直接决定着控制速度和控制精度。本控制器中采用的传感器是一种电涡流位移传感器。它是一种高精度无接触式传感器。
本系统要求能分辨1mm位置信号，根据传感器的传感特性，必须要求有至少为12位的分辨率。同时本系统中要求绝对精度不低于±1lsb。由于磁力轴承系统要求的控制周期很短(一般小于200ms),故要求adc的采样时间也必须很快(一般在20ms内)。
综上考虑选用maxim公司的max115作为adc来完成主轴位置信号的采集。max115是12位2×4通道同步采样逐次比较型adc，其具有两组adc，每组4通道连续采集保持；单通道转换时间为2ms；转换精度±1/2lsb；4通道传输率为16ksps；并且内部具有2.5v参考电压和10mhz时钟，极大地精简了外部附加电路；其高速的并行接口可以方便地与dsp相连。
max115与tms320f240
的接口电路
图1是磁悬浮轴承dsp控制器的结构简图。图中4路主轴位置信号经由max115进行a/d转换后，采集结果通过中断方式输入到dsp内。dsp经过滤波算法处理后，将采集数据写到双口ram内，计算机通过isa总线访问双口ram并将其中的数据取走，进行上位机的图形显示、数据分析等功能。同时dsp进行控制算法计算，计算之后将控制数据通过控制器板卡上的4路dac输出给功率放大器，从而实现对主轴的控制。这样，利用dsp处理速度快的特点来完成算法的计算，利用pc机强大的多媒体处理特点来实现主轴位置监视和数据分析，dsp和pc同时相对独立工作，互不影响，从而加快了系统的处理速度。
max115和dsp硬件的接口设计如图2所示，max115引脚a0-a3和引脚d0-d11是具有三态的双向接口，可以直接和dsp相关引脚进行连接。为简化电路设计和增加可靠性，系统中使用的是内部基准电源，此时要将refin引脚接上一个0.1mf的旁路电容；同时使用内部时钟10mhz，并将clk引脚接上vcc。
max115与tms320f240进行接口设计时主要考虑两个问题：一是max115数据线和控制模式线共用问题。由于max115的d1/a3，d0/a2为数据和地址共用引脚，但实际设计时不能将此引脚同时连接到dsp的地址线和数据线，此处即为dsp和max115接口连接的难点。本系统设计时用一种全新的方法来实现，因为dsp有16位的数据线，而max115只需要12位数据线和2根工作模式控制引脚，所以通过将dsp的14根数据线直接接到max115上的地址和数据线，即d0接ad_a0，d1接ad_a1，d2接ad_d0，d3接ad_d1，d4接ad_d2......d13接ad_d11，当对max115进行编程时，通过可编程逻辑器件max7128进行地址选通，max7128编程采用altera公司的max+plusⅱ集成环境，使用ahdl语言编写。
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控制器中max115的片选()信号、转换开始()信号及读()写()信号都是由max7128产生的。max7128编程方便，易于调试，用其实现快速地址选通等功能来加快系统的处理速度。其中dsp的参与地址译码。
软件设计
dsp作为下层的cpu来控制数据采集的整个过程。本控制器设计使用的编程软件是ti公司的ccs，采用c语言及嵌入式汇编编程，这样编写的程序简洁，易于读懂。
本控制器采用4通道连续转换，a3a2a1a0=0011。上电后dsp给max115写入工作方式，然后送信号，a/d转换开始，转换完成后，max115发出请求ad_int变低，dsp中断立刻开始读取a/d转换结果。max115的与dsp的xint1相连，作为dsp的外部中断输入。当a/d转换完成后，变低，dsp进入中断服务程序，在中断服务程序中将a/d转换结果读出。这种方法应用于快速转换，只要中断来了便进行转换，充分利用了cpu的资源。下面给出了中断方式下dsp控制a/d转换的部分程序。其中主要以中断子程序为主，其它中断初始化及其dsp中断向量程序均省略。
_____ a/d转换电路 _____
data＝0x03; /*max115工作方式选择a3a2a1a0=0011*/
asm( out _data,0003h );
/*选择adc,并写入工作模式*/
asm(rpt xxx );
/*xxx为一个数值 其大小应根据实际调试而决定*/
asm( nop );
/*延时 匹配速度*/
asm( out _data,1003h );
/*a/d转换开始用地址1003h来选中信号*/
_____a/d转换结果的读取_____
void ad_int()
{ asm( in _ad_result1,0003h ); /*读入ad_ch1a转换结果*/
ad_result1=ad_result1&0x0fff;
ad_result1=ad_result1*2;
/* ch1a通道最后结果ad_result1*/
asm( rpt xxx );
asm( nop );
asm( in _ad_result2,0003h ); /*读入ad_ch2a转换结果*/
ad_result2=ad_result2&0x0fff;
ad_result2=ad_result2*2;
/* ch2a通道最后结果ad_result2*/
asm( rpt xxx );
asm( nop );
asm( in _ad_result3,0003h ); /*读入ad_ch3a转换结果*/
ad_result3=ad_result3&0x0fff;
ad_result3=ad_result3*2;
/* ch3a通道最后结果ad_result3*/
asm(rpt xxx );
asm( nop );
asm( in _ad_result4,0003h ); /*读入ad_ch4a转换结果*/
ad_result4=ad_result4&0x0fff;
ad_result4=ad_result4*2;
/* ch4a通道最后结果ad_result4*/
}
调试程序时一定要注意max115与dsp的时序配合问题，参考maxim公司的max115产品资料，根据资料所标示出的时序图来调试电路。在送a/d工作模式后，再送信号，12ms后max115输出信号，此信号可以作为a/d转换已经完成的标志。如果是多通道a/d采集，在读转换数据时，要在读每通道之间加不小于45ns的延时，这样才能保证读出数据是可靠真实的模拟信号。
结语
本文主要探讨了12位adc max115与tms320f240之间的硬件接口电路，并给出了采集程序的流程，在实际的磁悬浮轴承控制系统中采用了中断采集法，实现了对磁悬浮主轴位置的精确测量，达到了很好的效果。
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