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。