基于ADS7870的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串行接口設(shè)計(jì)

摘要：用分立元件實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集有很多缺點(diǎn)，針對這一問題，提出一種采用德州儀器公司推出的ADS7870型低功耗數(shù)據(jù)采集器件組成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。介紹該器件的工作原理及應(yīng)用，給出了ADS7870與微處理器MC68HCll的接口及部分軟件程序。該系統(tǒng)可以顯著提高多路數(shù)據(jù)采集的速度和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度，降低系統(tǒng)功耗。
關(guān)鍵詞：多路數(shù)據(jù)采集；ADS7870；串行接口；設(shè)計(jì)

1 引言
    1個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集器件可包含多路模擬開關(guān)、可編程增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)或多個(gè)數(shù)字I/0通道。所有這些功能都是通過1個(gè)串行數(shù)據(jù)口進(jìn)行控制的。德州儀器公司的ADS7870就是這樣的器件。這款低成本的ADS7870集成了12位、48 kS/s(SAR)的逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、4通道差分/8通道單端的多路復(fù)用器(multiplexer(MUX))、可編程增益放大器(PGA)、高精度參考電源、內(nèi)部參考緩沖放大器、片上時(shí)鐘發(fā)生器和用于控制及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇薪涌?，為?shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理能力。

2 ADS7870的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    ADS7870是一個(gè)基于SAR的12位精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即DAS。與其他同類產(chǎn)品相比，基于SAR架構(gòu)能以更低的功耗、簡單的多通道掃描及內(nèi)建的采樣保持提供極低的延時(shí)，從而提供了高精度、通用的單片DAS。如圖1所示是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成原理圖。表l為ADS7870的引腳及功能定義。
    ADS7870中的PCA可提供高輸入阻抗、卓越的增益精度、良好的共模抑制及極低的噪聲。對于普通信號而言，在信號源與ADC輸入之間不需要外部放大或阻抗緩沖。PGA的失調(diào)電壓可自動歸零，可提供卓越的長期直流穩(wěn)定性。增益為l、2、4、5、8、10、16及20 V/V的增益可使125 mV的低信號產(chǎn)生數(shù)字輸出滿量程。正常工作時(shí)功耗為8.5 mW，待機(jī)模式下的功耗僅為5 mW。
    ADS7870有1個(gè)內(nèi)置參考源，用于對溫度的初始精度與穩(wěn)定性進(jìn)行微調(diào)。漂移一般為10-5/℃。內(nèi)部參考緩沖放大器可用于內(nèi)部或外部參考。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理
3.1 ADS7870的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器
    ADS7870集成了12位的逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸出為二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，并且可以通過串行接口來讀取(最高有效位或最低有效位先行均可)，在輸入多路復(fù)用器配置為差分輸入時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

   在輸入多路復(fù)用器配置為單端輸入時(shí)，模/數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)為 

   
    模/數(shù)轉(zhuǎn)換周期為48個(gè)DCLK(分頻時(shí)鐘)，其中，PGA的工作周期為36個(gè)DCLK，完成包括輸入信號獲取、PGA自動歸零、電平位移及輸入信號放大等過程。SAR占用剩余的12個(gè)DCLK。
    有4種方法可以啟動一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換周期：發(fā)送1個(gè)直接模式命令；對寄存器4(增益/多路復(fù)用寄存器)進(jìn)行寫操作，置CNV位為l；對寄存器5(數(shù)字I/O狀態(tài)寄存器)進(jìn)行寫操作，置CNV位為l；指定CONVERT引腳為邏輯高電平——在CCLK的第二個(gè)有效沿開始一個(gè)新的模/數(shù)轉(zhuǎn)換周期。
3.2 ADS7870的串行工作模式
    圖2所示是ADS7870的串行工作模式接口電路。ADS7870的串行工作模式有兩種：直接模式和寄存器模式，這兩種模式由指令字節(jié)的D7位來區(qū)別。ADS7870串行接口的工作基于指令字節(jié)，該指令字節(jié)的后面跟隨由它本身決定的動作。這個(gè)8位指令字節(jié)由時(shí)鐘輸入DIN端輸入，二種類型的指令字節(jié)可以寫入ADS7870，由指令字節(jié)的D7位決定，這二個(gè)指令字節(jié)代表了兩種工作模式：直接模式(D7=1)和寄存器模式(D7=0)。

    直接模式是通過對ADS7870寫入1個(gè)單獨(dú)的8位指令字節(jié)(D7=1)來啟動一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。寫入的直接模式命令可以設(shè)置多路復(fù)用器的配置、選擇PGA的增益并啟動一次轉(zhuǎn)換周期。直接模式的指令結(jié)構(gòu)見表2，D7=l表示直接模式；D6-D4用于控制PGA的增益；D3-DO用于輸入通道選擇。圖3示出直接模式下啟動一次轉(zhuǎn)換操作的時(shí)序圖。

    寄存器模式(指令字節(jié)的D7=0)是對ADS7870的一個(gè)寄存器發(fā)出讀或?qū)懙牟僮髦噶?，該指令含有對下一個(gè)讀寫操作的寄存器的地址，確定串行通信是以8位還是16位的字長形式進(jìn)行，并決定下一個(gè)操作是從這個(gè)被尋址的寄存器讀出還是寫入。寄存器模式的指令結(jié)構(gòu)為D7=0表示寄存器模式；D6(R/W)決定是讀出還是寫入，為l表示讀，為0表示寫；D5(16/8)決定字長，為l表示16位，為0表示8位；D4-DO表示要進(jìn)行讀或?qū)懖僮鞯募拇嫫鞯牡刂贰?/p>

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串行接口
4.1 ADS7870串行接口的硬件連接
    ADS7870可以通過數(shù)字串行接口與微處理機(jī)及其他外部電路進(jìn)行通信，ADS7870與MC68HCll型微處理器的接口原理如圖4所示。ADS7870的串行接口主要有4個(gè)引腳：SCLK為串行位時(shí)鐘，DIN為串行位數(shù)據(jù)輸入，DOUT為串行位數(shù)據(jù)輸出，CS為串行位片選信號。

4.2 ADS7870的串行軟接口
    圖5所示是ADS7870輸入通道數(shù)據(jù)處理程序框圖，ADS7870與MC68HCll的串行軟接口部分程序如下：

    (1)ADS7870的接口初始化程序
INIt_ADS PSHX
     PSHA

5 結(jié)束語
    本文介紹了ADS7870型低功耗數(shù)據(jù)采集器件的特點(diǎn)及工作原理，討論了由ADS7870與MC68HCll型嵌入式系統(tǒng)器件組成的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)串行接口的設(shè)計(jì)。ADS7870提供了完整的信號處理與轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)方法，是低功耗控制系統(tǒng)、智能傳感器應(yīng)用及通用儀表等領(lǐng)域的理想選擇。