TLC1549串口傳輸與單片機(jī)的A／D設(shè)計(jì)

TLC1549系列是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用兩個(gè)差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入和一個(gè)三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口，其中三態(tài)輸出分別為片選(CS低電平有效)，輸入／輸出時(shí)鐘(I／O CLOCK)，數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)。TLC1549引腳排列如圖1所示。TLC1549能以串行方式送給單片機(jī)，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于TLC1549采用CMOS工藝。內(nèi)部具有自動(dòng)采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且開關(guān)電容設(shè)計(jì)使在滿刻度時(shí)總誤差最大僅為±1 LSB(4.8 mV)，因此可廣泛應(yīng)用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。

TLC1549在工作溫度范圍內(nèi)的極限參數(shù)：

電源電壓范圍：-0.5 V～6.5 V；

125℃輸入電壓范圍：-0.3 V～VCC+0.3 V；

輸出電壓范圍：-0.3～VCC+0.3 V；

正基準(zhǔn)電壓：VCC+0.1 V；

負(fù)基準(zhǔn)電壓：-0.1 V；

峰值輸入電流：+20 mA；

峰值總輸入電流：±30 mA；

工作溫度范圍：TLC1549M為-55℃～125℃，TLC1549C為0℃～70℃，TLC1549I為-40℃～85℃。

2 工作原理

TLC1549具有6種串行接口時(shí)序模式，這些模式是由I／O CLOCK周期和CS定義。根據(jù)TLC1549的功能結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序，其工作過(guò)程可分為3個(gè)階段：模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸。圖3所示為TLC1549的時(shí)序圖。

2.1 輸入的模擬量采樣

在第3個(gè)I／O CLOCK下降沿，輸入模擬量開始采樣，采樣持續(xù)7個(gè)I／O CLOCK周期，采樣值在第10個(gè)I／O CLOCK下降沿鎖存。

2.2 輸入的模擬量轉(zhuǎn)換

對(duì)于連續(xù)逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549，CMOS門限檢測(cè)器通過(guò)檢測(cè)一系列電容的充電電壓決定A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的每一位，如圖4所示。在轉(zhuǎn)換過(guò)程的第一階段，模擬輸入量同時(shí)關(guān)閉SC和ST進(jìn)行充電采樣，這一過(guò)程使所有電容的充電電壓之和達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。轉(zhuǎn)換過(guò)程的第二階段打開所有SC和ST，CMOS門限檢測(cè)器通過(guò)識(shí)別每一只電容的電壓確定每一位，使其接近參考電壓。在這個(gè)過(guò)程中，10只電容逐一檢測(cè)，直到確定轉(zhuǎn)換的十位數(shù)字量。其詳細(xì)步驟為：門限檢測(cè)器檢測(cè)第一只電容(weight=512)的電壓，該電容的節(jié)點(diǎn)512連接到REF+。梯型網(wǎng)絡(luò)中，其他電容的等效節(jié)點(diǎn)接到REF-。如果總節(jié)點(diǎn)的電壓大于門限檢測(cè)器的電壓(大約VCC的一半)，“0”被送至輸出寄存器，此時(shí)512-weight的電容連接到REF-。經(jīng)反相后為“1”，即為最高位MSB為1；如果總節(jié)點(diǎn)的電壓小于門限檢測(cè)器的電壓(大約VCC的一半)，“1”被送至輸出寄存器，此時(shí)512-weight的電容連接到REF+，經(jīng)反相后為“0”，存為最高位MSB為0。對(duì)于256-weight的電容和128-weight的電容也要通過(guò)連續(xù)逐次逼近型的重復(fù)操作，直到確定從高位(MSB)到低位(LSB)所有數(shù)字量，即為初始的模擬電壓數(shù)字量。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程調(diào)整VREF+和VREF1以便從數(shù)字0至1跳變的電壓(VZT)為0.002 4 V，滿度跳變電壓(VFT)為4.908 V，即1 LSB=4.8 mV。

2.3 數(shù)字量的傳輸

當(dāng)片選CS由低電平變?yōu)楦邥r(shí)，I／O CLOCK禁止且A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出DATA OUT處于高阻狀態(tài)；當(dāng)串行接口將CS拉至有效時(shí)，即CS由高變?yōu)榈蜁r(shí)，CS復(fù)位內(nèi)部時(shí)鐘，控制并使能DA-TA OUT和I／O CLOCK，允許I／O CLOCK工作并使DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。串行接口把輸入／輸出時(shí)鐘序列供給I／O CLOCK并接收上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。首先移出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對(duì)應(yīng)的最高位，下一個(gè)I／O CLOCK的下降沿驅(qū)動(dòng)DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量對(duì)應(yīng)的次高位，第9個(gè)I／OCLOCK的下降沿將按次序驅(qū)動(dòng)DATA OUT輸出上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)字量的最低位，第10個(gè)I／OCLOCK的下降沿，DATA OUT輸出一個(gè)低電平，以便串行接口傳輸超過(guò)10個(gè)時(shí)鐘；I／O CLOCK從主機(jī)串行接口接收長(zhǎng)度在10～16個(gè)時(shí)鐘的輸入序列。

CS的下降沿，上一次轉(zhuǎn)換的MSB出現(xiàn)在DATA OUT端。10位數(shù)字量通過(guò)DATA OUT發(fā)送到主機(jī)串行接口。為了開始傳輸，最少需要10個(gè)時(shí)鐘脈沖，如果I／OCLOCK傳送大于10個(gè)時(shí)鐘，那么在第10個(gè)時(shí)鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把DATA OUT拉至低電平以確保其余位清零。在正常轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，即規(guī)定的時(shí)間內(nèi)CS端由高電平至低電平的跳變可以終止該周期，器件返回初始狀態(tài)(輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果)。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時(shí)要小心防止CS拉至低電平。

3 實(shí)例應(yīng)用及編程

實(shí)踐中，某功能模塊需將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后，儲(chǔ)存在EEPROM中。利用P1.7作為片選端ADCS，P1.6作為數(shù)據(jù)輸出端AD-DATA，P1.5作為時(shí)鐘端ADCLK。圖5所示為A／D串行接口應(yīng)用原理圖。

對(duì)于較大程序，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，將整個(gè)程序按功能分成若干個(gè)模塊，不同的模塊完成不同的功能，這樣可使整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試和維護(hù)。以下給出了程序代碼：

4 結(jié)束語(yǔ)

利用A／D串行輸出設(shè)計(jì)不但提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，具有抗干擾性，而且節(jié)省了大量元件和印刷電路板的空間。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量。