DS2450 A/D轉(zhuǎn)換器的特性與應(yīng)用

 DS2450是美國達(dá)拉斯（Dallas）半導(dǎo)體公司1999年新推出的符合單總線協(xié)議的四路A/D轉(zhuǎn)換器。每個(gè)輸入通道有各自的寄存器組來存儲(chǔ)輸入電壓的范圍、分辨率和報(bào)警門限值以及當(dāng)輸入電壓偏離指定范圍時(shí)的使能標(biāo)志。DS2450可與單片機(jī)端口的一個(gè)引腳（如P1.0）直接相連；也可與PC機(jī)的 RS232串行口經(jīng)適配器轉(zhuǎn)換后相連，且可掛上多個(gè)DS2450，使用很方便。下面介紹DS2450的主要特性與工程應(yīng)用。

    １ DS2450主要特性

    · 用戶可編程設(shè)置輸入范圍（2.56V,5.12V）、分辨率（１～16位）和報(bào)警門限；

    · 單電源工作(5V)；

    · 很低的功耗：工作時(shí)2.5mW，空閑時(shí)2.5μW；

    · 內(nèi)置多點(diǎn)控制器允許在一條公共單總線上對多個(gè)DS2450識(shí)別和操作；

    · 響應(yīng)模擬電壓超過報(bào)警門限時(shí)的條件查找；

    · 未用作模擬輸入的通道可用作閉環(huán)控制的漏極開路的數(shù)字輸出；

    · 直接與微處理器端口的一個(gè)引腳相連，并以16.3kbps的速率通信；

    · 超速模式下通信速率可達(dá)142kbps；

    · 片上16位CRC生成器能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；

    · 出廠前激光刻錄和經(jīng)過測試的64位唯一注冊號(hào)（8位族碼+48位序列號(hào)+8位CRC校驗(yàn)碼）能保證絕對的跟蹤能力，因?yàn)闆]有兩個(gè)部分是相似的；

    · 8位族碼規(guī)定了器件與總線命令者通信的需求；

    · 工作溫度范圍從-40°Ｃ～+85°Ｃ；

    · 緊湊，低成本，8引腳SOIC表面安裝封裝。

    ２ 引腳說明

    DS2450為8腳貼片式封裝，如圖１所示。

    ３ DS2450工作原理與設(shè)置

3.1 原理框圖

    DS2450單總線四路A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)具有四選一多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部組成原理框圖如圖２所示。

    圖２中上部是工作電源。器件通過單總線或者從Vcc引腳取得功率。如果不用Vcc供電，器件在單總線為高期間把能量儲(chǔ)存在一個(gè)內(nèi)部電容器上，并且在單總線為低期間繼續(xù)以“寄生”功率為動(dòng)力工作，直到單總線為高時(shí)才補(bǔ)充寄生（電容器上）能量。這就提供了足夠的能量。要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要將單總線強(qiáng)上拉到 5V，或者使用Vcc供電。中部4個(gè)方框是單總線協(xié)議控制和CRC校驗(yàn)。每一個(gè) DS2450出廠前用激光刻錄注冊號(hào)，此注冊號(hào)包含一個(gè)唯一的48位序列號(hào)、一個(gè)8位CRC校驗(yàn)碼和一個(gè)8位族碼（20H）。DS2450的64位ROM 部分不僅是器件絕對唯一的電子標(biāo)識(shí)，而且是定位和尋址器件以實(shí)現(xiàn)控制功能的一種手段。CRC(Cyclic Redundancty Check)稱為循環(huán)冗余碼檢測，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種常用方法。下部３個(gè)方框是A/D轉(zhuǎn)換器及選通和控制電路。

    3.2 單總線協(xié)議

    DS2450采用達(dá)拉斯公司數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯慰偩€協(xié)議。與DS2450的通信需要一根雙向線，典型地可以是單片機(jī)端口的一個(gè)引腳。單總線協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)如圖３所示。單總線命令者首先必須發(fā)送七個(gè)ROM功能命令中的一個(gè)命令。七個(gè)ROM功能命令分別是：①讀ROM（讀取64位注冊號(hào)）；②匹配ROM（總線上有多個(gè)DS2450時(shí)，尋址某個(gè)DS2450）；③查找ROM（系統(tǒng)首次啟動(dòng)后，需識(shí)別總線上各器件）；④條件查找ROM（只查找輸入電壓超過設(shè)置的報(bào)警門限值的DS2450）；⑤跳過ROM（總線上只有一個(gè)DS2450時(shí)，跳過讀ROM命令直接向器件發(fā)送命令，以節(jié)省時(shí)間）；⑥超速跳過ROM（超速模式下跳過讀ROM命令）；⑦超速匹配ROM（超速模式下尋址某個(gè)DS2450）。在成功執(zhí)行上述命令之一后，總線命令者可發(fā)送任何一個(gè)可使用的命令來訪問存儲(chǔ)和控制功能。所有數(shù)據(jù)的讀寫都是從最低位開始的。

    3.3 器件存儲(chǔ)器

    DS2450所有的寄存器都映射到一個(gè)由相鄰２４個(gè)字節(jié)組成的線性內(nèi)存范圍內(nèi)，分為3頁，每頁8字節(jié)。第一頁叫做轉(zhuǎn)換讀出頁，內(nèi)部邏輯將轉(zhuǎn)換結(jié)果放在此內(nèi)存區(qū)域以讓總線命令者讀取。從通道A最低地址00開始，每個(gè)通道有一個(gè)16位的區(qū)域用來存放轉(zhuǎn)換結(jié)果，如表１所示。為節(jié)省篇幅，表１、表２、表３只列出了通道D。

    上電時(shí)轉(zhuǎn)換讀出寄存器缺省為全零。不管分辨率如何，轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位總是在同一位置。如果分辨率小于16位，轉(zhuǎn)換結(jié)果的低位將用零填充來產(chǎn)生一個(gè)16位結(jié)果。對于不需要四路模擬輸入的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)將D作為第一個(gè)通道，C作為第二個(gè)通道，依次類推。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，可以較快地到達(dá)頁尾和讀取CRC16，并且可使單總線上的流量最小。

    通道控制和狀態(tài)信息存于第二頁，如表２所示。其第一字節(jié)的低四位控制A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)，如1111為15位。位5不起作用，始終為0。位6為輸出控制，OC 為0該通道可以輸出。位7是輸出使能，OE為1表示通道可控。第二字節(jié)的位０選擇輸入電壓的范圍。當(dāng)IR為0時(shí)，是2.55V。當(dāng)IR為1時(shí)，是 5.10V。位１不起作用，讀出總是０，且不能置為１。位２和位３分別是AEL（低限報(bào)警使能）和AEH（高限報(bào)警使能），控制器件是否將響應(yīng)條件查找（見ROM功能）。位４和位５分別是報(bào)警標(biāo)志AFL（低）和AFH（高），告訴總線命令者在上次轉(zhuǎn)換中輸入電壓是否超過了最低或最高門限。如果新的轉(zhuǎn)換不產(chǎn)生報(bào)警，那么這些標(biāo)志將自動(dòng)清除，也可不通過轉(zhuǎn)換而由總線命令者寫為0。位6讀出總是０，且不能置為１。位７為器件上電復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)器件執(zhí)行上電復(fù)位周期時(shí)，POR自動(dòng)置為１。如果該位為１，器件將總是響應(yīng)條件查找命令，以便通知命令者控制和門限數(shù)據(jù)不再有效，但不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位周期。上電完畢后，總線命令者需將POR位置為１。該過程可與恢復(fù)控制和門限數(shù)據(jù)一起進(jìn)行。因?yàn)镻OR位與器件而不是具體通道有關(guān)，因此使用的是最近一次的設(shè)置值。上電時(shí)每個(gè)通道的控制／狀態(tài)數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)為08H，第二個(gè)字節(jié)為8CH。

    每個(gè)通道的報(bào)警門限電壓存于第三頁，見表３。低報(bào)警門限位于第一字節(jié)，低報(bào)警門限上電時(shí)缺省為00H，高報(bào)警門限為FFH。報(bào)警設(shè)置總是8位。當(dāng)分辨率大于或等于8位時(shí)，如果轉(zhuǎn)換結(jié)果比存儲(chǔ)在高報(bào)警寄存器（AFH）中的值大，或者比存儲(chǔ)在低報(bào)警寄存器（AFL）中的值小，那么就會(huì)設(shè)置報(bào)警標(biāo)志。當(dāng)分辨率低于8位時(shí)，忽略報(bào)警寄存器的最低位。

    地址18到1F為第四頁，工廠校準(zhǔn)時(shí)使用該頁。用戶可以通過讀內(nèi)存和寫內(nèi)存命令來訪問該頁，該頁數(shù)據(jù)的改變會(huì)使DS2450校準(zhǔn)失靈或者失去功能。如果DS2450由Vcc供電，那么必須在上電完畢后向地址1C寫入十六進(jìn)制40來使模擬電路永久地保持在工作狀態(tài)。

    ４ 工程應(yīng)用

    在單總線系統(tǒng)中，掛上DS2450A/D轉(zhuǎn)換器后，則可通過傳感器把各種物理量變?yōu)閿?shù)字經(jīng)單總線送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理了。圖４展示了以PC機(jī)作控制時(shí)的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的部分示意圖。圖５是以單片微機(jī)作控制時(shí)的環(huán)境測控系統(tǒng)的部分示意圖。

 

５ 軟件設(shè)計(jì)

    為保證數(shù)據(jù)可靠地傳送，任一時(shí)刻單總線上只能有一個(gè)控制信號(hào)或數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)應(yīng)符合單總線協(xié)議，計(jì)算機(jī)對某一測控對象操作時(shí)，一般有以下四個(gè)過程：（１）初始化信號(hào)；（２）傳送ROM命令；（３）傳送RAM命令；（４）數(shù)據(jù)交換。每次傳送的數(shù)據(jù)或命令是由一系列的時(shí)序信號(hào)組成的，單總線上共有四種時(shí)序信號(hào)：（１）初始化信號(hào)（復(fù)位信號(hào)）；（２）寫０信號(hào)；（３）寫１信號(hào)；（４）讀信號(hào)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)要產(chǎn)生這四種時(shí)序信號(hào)波形。

    在單總線系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)是技術(shù)的關(guān)鍵。簡潔的硬件配置是靠復(fù)雜的軟件來支撐的。隨著主控計(jì)算機(jī)的不同，可分為PC機(jī)控制和單片機(jī)控制兩種情況。

    5.1 PC機(jī)控制

    在這種情況下，使用達(dá)拉斯公司授權(quán)軟件開發(fā)商（ASDs）的TMEX套裝軟件開發(fā)工具來進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。上述四種時(shí)序信號(hào)波形程序已包含在TMEX中，編程時(shí)可直接調(diào)用。TMEX其實(shí)是一些動(dòng)態(tài)鏈接庫，提供了對單總線芯片進(jìn)行訪問和控制的函數(shù)，它支持Microsoft Windows及DOS的各種軟件平臺(tái)，可采用C、C++、Borland Delphi、Microsoft Access和Visual Basic等可視化編程語言來開發(fā)；還支持DS9097U通用串行口轉(zhuǎn)換器、DS9097、DS9087E及“真正”接地串行口轉(zhuǎn)換器和DS1410E、 DS1410D并行轉(zhuǎn)換口。因此，可以設(shè)計(jì)精美、生動(dòng)的界面，既可看到監(jiān)控系統(tǒng)的總布局圖，又可查看某個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場的狀態(tài)數(shù)據(jù)和指示信號(hào)，達(dá)到了現(xiàn)代化、自動(dòng)化的管理水平。

    5.2 單片機(jī)控制

    在這種情況下，要采用單片機(jī)的匯編語言編程。根據(jù)單總線協(xié)議的規(guī)定，要編寫產(chǎn)生上述的四種時(shí)序信號(hào)波形的程序，手冊中對這四種波形參數(shù)（如脈沖上升時(shí)間、寬度和間隙等）都作了具體的要求，設(shè)計(jì)中應(yīng)保證指令執(zhí)行時(shí)間小于或等于時(shí)序信號(hào)中的最小時(shí)間。由于使用匯編語言編寫單總線的系統(tǒng)程序和具體的應(yīng)用程序，相比之下，要比使用PC機(jī)控制麻煩多了。

    DS2450單總線四路A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)具有四選一多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部組成原理框圖如圖２所示。

    圖２中上部是工作電源。器件通過單總線或者從Vcc引腳取得功率。如果不用Vcc供電，器件在單總線為高期間把能量儲(chǔ)存在一個(gè)內(nèi)部電容器上，并且在單總線為低期間繼續(xù)以“寄生”功率為動(dòng)力工作，直到單總線為高時(shí)才補(bǔ)充寄生（電容器上）能量。這就提供了足夠的能量。要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要將單總線強(qiáng)上拉到 5V，或者使用Vcc供電。中部4個(gè)方框是單總線協(xié)議控制和CRC校驗(yàn)。每一個(gè) DS2450出廠前用激光刻錄注冊號(hào)，此注冊號(hào)包含一個(gè)唯一的48位序列號(hào)、一個(gè)8位CRC校驗(yàn)碼和一個(gè)8位族碼（20H）。DS2450的64位ROM 部分不僅是器件絕對唯一的電子標(biāo)識(shí)，而且是定位和尋址器件以實(shí)現(xiàn)控制功能的一種手段。CRC(Cyclic Redundancty Check)稱為循環(huán)冗余碼檢測，是數(shù)據(jù)通信中校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種常用方法。下部３個(gè)方框是A/D轉(zhuǎn)換器及選通和控制電路。

    3.2 單總線協(xié)議

    DS2450采用達(dá)拉斯公司數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯慰偩€協(xié)議。與DS2450的通信需要一根雙向線，典型地可以是單片機(jī)端口的一個(gè)引腳。單總線協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)如圖３所示。單總線命令者首先必須發(fā)送七個(gè)ROM功能命令中的一個(gè)命令。七個(gè)ROM功能命令分別是：①讀ROM（讀取64位注冊號(hào)）；②匹配ROM（總線上有多個(gè)DS2450時(shí)，尋址某個(gè)DS2450）；③查找ROM（系統(tǒng)首次啟動(dòng)后，需識(shí)別總線上各器件）；④條件查找ROM（只查找輸入電壓超過設(shè)置的報(bào)警門限值的DS2450）；⑤跳過ROM（總線上只有一個(gè)DS2450時(shí)，跳過讀ROM命令直接向器件發(fā)送命令，以節(jié)省時(shí)間）；⑥超速跳過ROM（超速模式下跳過讀ROM命令）；⑦超速匹配ROM（超速模式下尋址某個(gè)DS2450）。在成功執(zhí)行上述命令之一后，總線命令者可發(fā)送任何一個(gè)可使用的命令來訪問存儲(chǔ)和控制功能。所有數(shù)據(jù)的讀寫都是從最低位開始的。