基于AD7888的高穩(wěn)定度激光器多路監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能簡介

在高穩(wěn)定度激光器的研制中,實(shí)時(shí)監(jiān)測激光器的工作狀態(tài)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定度激光器溫度控制系統(tǒng)、激光管工作電流、工作電壓、激光器光功率的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測，以及激光器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)串行上傳的功能。其中電流設(shè)定值和實(shí)際工作電流的觀測可以更好地確定激光器的工作狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

                             圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測是利用AD模數(shù)轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于AD芯片的選擇，需要綜合設(shè)計(jì)諸項(xiàng)因素，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)、成本、功耗、安裝等，最主要的依據(jù)還是速度、精度以及需要的通路。由于系統(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)是緩慢變化的信號(hào)，所以速度的要求不高，主要是精度的要求和多通路的要求，所以選擇了美國模擬器件AD公司推出的一款8路單端模擬輸入的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7888，VREF(+)為+5V時(shí)，其精度能達(dá)到1/212×5V=0.00122V，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。LCD使用OCM4×16，4行16字符的液晶顯示模塊，使用兩個(gè)按鍵控制不同監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的切換。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用的是AT28C256，容量為256MB，在EEPROM中將存儲(chǔ)器分為8個(gè)區(qū)域，按照實(shí)時(shí)時(shí)鐘的節(jié)拍存儲(chǔ)上傳給PC的采樣數(shù)據(jù)。在PC端可以遠(yuǎn)程直接監(jiān)控激光器的工作狀態(tài)。與PC間的數(shù)據(jù)通信采用的是串行方式，從MCU的TX和RX端CMOS電平到PC的標(biāo)準(zhǔn)RS232電平的轉(zhuǎn)換器件選用Maxim公司的MAX232。由于MCU的外圍器件比較多，以及考慮了以后的擴(kuò)展，這里使用了CPLD芯片進(jìn)行了器件片選的地址譯碼和液晶屏的控制信號(hào)的生成。

AD7888的特點(diǎn)

AD7888是美國模擬器件AD公司推出的一款高速低功耗12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在+2.7～+5.25V單電源模式下工作，見圖2。其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到125k SPS。AD7888的輸入采樣/保持電路在500ns內(nèi)獲取一個(gè)信號(hào)，采用單端采樣模式，包含8個(gè)單端模擬輸入，從AIN1到AIN8，模擬輸入電壓從0～VREF。AD7888內(nèi)部具有用做A/D轉(zhuǎn)換的換的2.5V基準(zhǔn)電壓源，REFIN/REFOUT管腳允許用戶訪問這個(gè)基準(zhǔn)。另外，該管腳也可以使用外部基準(zhǔn)電壓，范圍從1.2V到VDD。CMOS的制造工藝確保了低功率消耗，正常工作時(shí)為2mW，掉電狀態(tài)下為3μW。該器件采用16腳SOIC和TSSOP外形封裝。可以選擇多種電源管理模式（包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后自動(dòng)處于掉電模式），與多種串行接口兼容，如SPI/QSPI/MICOWIRE/DSP。AD7888引腳功能及符號(hào)說明見圖3、表1、表2。

                              圖2 AD7888模數(shù)轉(zhuǎn)換器

                         圖3 控制器位功能描述

表1 AD7888模數(shù)轉(zhuǎn)換器管腳

表2 引腳符號(hào)及說明

在AD7888中，控制寄存器是8位的只寫寄存器。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘周期信號(hào)的上升沿從AD7888的DIN引腳載入，在此同時(shí)獲取外部模擬量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。每次數(shù)據(jù)的傳輸需要準(zhǔn)備16個(gè)連續(xù)時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)只能在片選信號(hào)下降沿之后的前8個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿裝入控制寄存器。

串行接口：

在圖4中顯示了詳細(xì)的串行接口時(shí)序圖，串行時(shí)鐘提供了轉(zhuǎn)換時(shí)序，且控制AD7888轉(zhuǎn)換信息的輸入輸出。
CS初始化數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換處理。在其下降沿之后的1.5個(gè)時(shí)鐘周期開始采樣輸入信號(hào)，這段時(shí)間表示為tACQ（獲取時(shí)間）。這是從DIN輸出到控制寄存器的MSB位為DONTC一個(gè)原因。在自動(dòng)關(guān)斷模式下獲取時(shí)間必須要慮及5μs的喚醒時(shí)間。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程還需要14.5個(gè)時(shí)鐘周期來完成。上升沿之后，總線返回高阻狀態(tài)。如果繼續(xù)保持低電平，則準(zhǔn)備新一輪的轉(zhuǎn)換。

進(jìn)行采樣的輸入通道的選擇是提前寫入控制寄存器的，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)，用戶必須提前寫入以備通道的轉(zhuǎn)換。也就是說，在進(jìn)行當(dāng)前轉(zhuǎn)換時(shí)，用戶就必須提前寫入通道的地址以備下次轉(zhuǎn)換使用。設(shè)計(jì)中初始化時(shí)，先做一次寫控制寄存器的操作，將需要轉(zhuǎn)換的通道信息寫入控制寄存器中。

寫信息到控制寄存器應(yīng)該在數(shù)據(jù)傳送的前8個(gè)SCLK上升沿進(jìn)行?？刂萍拇嫫鹘?jīng)常在數(shù)據(jù)傳送發(fā)生時(shí)進(jìn)行寫操作。從器件中讀數(shù)據(jù)時(shí)用戶必須經(jīng)常仔細(xì)地在PIN線上設(shè)置正確的信息。

接口與驅(qū)動(dòng)

串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強(qiáng)，所以其實(shí)現(xiàn)軟件就相當(dāng)簡單。AD7888與多種串行接口兼容，可以根據(jù)使用的控制芯片在設(shè)計(jì)中靈活的使用，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)選擇普通的MCU芯片AT89S52，使用程序可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)SPI總線的控制。

                     圖4 串行接口時(shí)序圖

AD7888與MCU之間的接口關(guān)系如圖5所示。為了能夠獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，AD7888與MCU之間加入光隔離器。光隔離器件采用的是隔離電壓高、速度快、共模抑制性強(qiáng)的6N137。由于6N137的速度快，編程中不需要進(jìn)行延時(shí)就能滿足光隔離器的電平建立時(shí)間。試驗(yàn)表明通過光隔離器，獲得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)能夠增加3～4位(二進(jìn)制位)。AD7888的CS接地，使AD888始終工作在SPI接口模式。對(duì)每個(gè)接口模塊的控制是通過74LSl25的三態(tài)允許端來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)其中一個(gè)SPI接口操作時(shí)，使其74LSl25處于選通狀態(tài)，而其他SPI接口的74LSl25處于高阻狀態(tài)。這樣可實(shí)現(xiàn)微處理器單獨(dú)對(duì)一個(gè)接口進(jìn)行操作，而不影響其他接口。CPU通過對(duì)三態(tài)緩沖器74LSl25控制，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)接口共用相同的數(shù)據(jù)線。AD7888所采樣的七路電壓信號(hào)經(jīng)過分壓以后電壓都在2.5V以內(nèi)，所以這里可以直接使用芯片內(nèi)置的+2.5V參考電壓，在程序中必須將控制器的REF位置清為“0”。

                           圖5 AD7888與MCU連接圖

子程序入口參數(shù)Adcaddres通過設(shè)置控制寄存器來修改采樣通道和工作模式

unsigned int get_ad(unsigned char Adcaddres)
//寫入控制字和讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
{ 
 unsigned char i,j;
 unsigned char Strdatah,Strdatal,Tempdata;
 unsigned int Strdata;
 Tempdata=0×0;
 Strdatah=0×0;
 Strdatal=0×0;
 Strdata=0;
 Ad_cs(0);        
//使能AD7888片選有效
 Ad_sclk=1;
 for(i=0;i<8;i++)
//前8個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行控制寄存器的寫入
 {
//和讀出上次轉(zhuǎn)換的高4位數(shù)據(jù)
Ad_din=(bit)( Adcaddres &(0×80>>i)); 
//先移出最高位
 Ad_sclk=0;
 for(j=0;j<2;j++);
 Ad_sclk=1;
 for(j=0;j<2;j++);
 Strdatah=Ad_dout; 
 Strdatah=Strdatah<<(7-i);
Tempdata=Tempdata | Strdatah;
}
Strdatah=Tempdata;
 Tempdata=0×0;
 for(i=0;i<8;i++)
//從AD7888中讀取低8位采樣碼
 { 
Ad_sclk=0;
 for(j=0;j<2;j++);
 Ad_sclk=1;
 Strdatal=Ad_dout;
 Strdatal=Strdatal<<(7-i);
 Tempdata=Tempdata | Strdatal;
 for(j=0;j<2;j++);
}
 Strdatal=Tempdata;
 Strdata=(Strdatah*256 +Strdatal)&0x0fff;
//去除高四位的無效數(shù)據(jù)”0”，防止誤碼出現(xiàn)
 Ad_cs(1);
//使能AD7888片選無效，降低功耗
return(Strdata);
}
程序中把寫控制寄存器通知采樣某通道和讀出上次轉(zhuǎn)換的高位有效數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，提高了轉(zhuǎn)換的速度，使應(yīng)用程序編程更加高效。

當(dāng)電源不穩(wěn)定或者電路出現(xiàn)干擾的時(shí)候，AD7888輸出的采出碼將出現(xiàn)波動(dòng)，使得采樣效果變差，這時(shí)可以在讀數(shù)據(jù)時(shí)采用防脈沖干擾移動(dòng)平均值法數(shù)字濾波，即加入后置濾波器，使效果得以改善。下面是相關(guān)的程序。

子程序入口參數(shù)Adcaddres通過設(shè)置控制寄存器來修改采樣通道進(jìn)行數(shù)字濾波

#define LEN  18  
//采樣數(shù)組的長度
#define SHIFT 4 
//LEN = 2^SHIFT+2
unsigned int szlb(unsigned char Adcaddres)      {
 unsigned char pdat;
//移動(dòng)指針
 unsigned char pmax,pmin; 
//記錄數(shù)據(jù)表中最大值和最小值的位置,在一般的數(shù)據(jù)采集系
    unsigned char i;    
//統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的長度>=8,
 unsigned int datas[LEN];  
//因此用指針記錄而不是直接記錄最大值和最小值
  unsigned int average=0;   
//清零，用來計(jì)算平均值
 pmax=0;
 pmin=0;
 for ( pdat=0;pdat<LEN;pdat++)
//采樣所得數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)表中
    {
 datas[pdat] = get_ad(Adcaddres);
       DelayMs(0×06);
 }
    for(i=0;i<LEN;i++)
   average+=datas[i];
//求所有數(shù)據(jù)總和
 /******去除被認(rèn)為是脈沖的數(shù)據(jù)*******/
 for ( i=LEN;i>0;i--)
 {
  if(datas[i-1]>datas[pmax])
//記錄數(shù)組中最大值的下標(biāo)
 pmax=i-1;
 if(datas[i-1]<datas[pmin]) 
//記錄數(shù)組中最小值的下標(biāo)
 pmin=i-1;
}
 average=average-datas[pmax]-datas[pmin];   
//減去脈沖
  return (average>>SHIFT);   
//求算術(shù)平均值
}

設(shè)計(jì)中需要注意的問題

單片機(jī)連接多個(gè)外圍芯片時(shí)需要注意幾個(gè)問題，首先要保證這幾個(gè)外設(shè)的使能有效信號(hào)絕對(duì)區(qū)分開來，通過CPLD譯碼產(chǎn)生片選來激活不同的外設(shè)，否則多個(gè)外設(shè)的數(shù)據(jù)就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，造成數(shù)據(jù)沖突，接受錯(cuò)誤，其次要從地址上區(qū)分開對(duì)外部設(shè)備寄存器的讀寫操作，同一時(shí)刻不能對(duì)多個(gè)外設(shè)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/P>

由于AD7888是高分辨率的ADC，因而電源的耦合電路尤為重要。因此在印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)所有的模擬電源輸入加一級(jí)去耦電路，即用10μF鉭電容和0.1μF陶瓷電容并聯(lián)到地。這些去耦電路的元件應(yīng)盡可能靠近芯片的電源引腳，這樣才能獲得更好的去耦效果，并消除引線過長帶來的干擾。

本系統(tǒng)介紹的技術(shù)已在高穩(wěn)定度激光器多路監(jiān)測中得到了應(yīng)用，它不但提高了系統(tǒng)抗干擾性和數(shù)據(jù)的測量精度，而且由于結(jié)構(gòu)簡單也給維護(hù)帶來了便利。