12位串行模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1286在溫度檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度檢測(cè)的高精度要求，利用12位分辨率的微功耗A／D轉(zhuǎn)換芯片．ADS1286，配合AT89C2051單片機(jī)，對(duì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度采集部分進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)。將該溫度采集電路應(yīng)用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設(shè)計(jì)中，檢測(cè)溫度范圍在0～350℃之間，溫度檢測(cè)精度達(dá)到±0．1℃。實(shí)踐證明，該溫度采集電路測(cè)量精度高，工作可靠穩(wěn)定，適用于工業(yè)測(cè)控瓴域及智能化儀器儀表中對(duì)溫度檢測(cè)提出高精度要求的應(yīng)用場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：ADS1286；工業(yè)測(cè)控；溫度采集；智能化儀器

    溫度檢測(cè)在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中較為常見(jiàn)，一般工業(yè)用溫度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度都有很高的要求。利用高精度A／D轉(zhuǎn)換芯片及單片機(jī)可以方便地構(gòu)成測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。本文采用12位串行控制的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS1286，配合AT89C2051單片機(jī)對(duì)溫度檢測(cè)系統(tǒng)中的溫度采集部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。ADS1286的串行接口使得電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，減少了連線，提高了系統(tǒng)的可靠性；較高的分辨率保證了溫度檢測(cè)的高精度要求。

1 芯片介紹
    ADS1286是美國(guó)BURR—BROWN公司生產(chǎn)的12位微功耗A／D轉(zhuǎn)換芯片，其供電電流僅為250μA，采樣率為20 kHz，提供了一個(gè)用于兩線或三線接口通信，并與SPI或SSI兼容的串行接口。微功耗以及串行接口的特點(diǎn)使得ADS1286非常適合于遠(yuǎn)距離及需要屏蔽的數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場(chǎng)合。ADS1286采用8引腳小型DIP封裝形式，VREF為參考電壓輸入端；+In為同相輸入端；一In為反相輸入端；GND為接地端；為片選端／低功耗模式選擇，當(dāng)該引腳出現(xiàn)低電平時(shí)，芯片片選有效，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)為低功耗模式；DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端；DCLOCK為時(shí)鐘輸入端；+Vcc為電源正端(+6 V MAX)。ADS1286芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，由采樣／保持差動(dòng)放大器、電容數(shù)／模轉(zhuǎn)換器CDAC、比較器、逐次逼近寄存器、控制電路及串行接口電路組成。串行接口包含2個(gè)數(shù)字輸入端(DCLOCK和／SHDN)及1個(gè)三態(tài)輸出口DOUT，構(gòu)成了與微處理器進(jìn)行串行通信的三線接口。

    ADS1286的工作時(shí)序如圖2所示，上電后，端置于高電平，此時(shí)片選無(wú)效，DCLOCK端時(shí)鐘信號(hào)輸入被禁止，DOUT端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。端電平發(fā)生由高到低的變化后，片選有效，A／D采樣時(shí)序開(kāi)始，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間tCSD，時(shí)鐘信號(hào)允許接入DCLOCK端，在片選有效后，從第二個(gè)時(shí)鐘信號(hào)開(kāi)始進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換時(shí)序，DOUT端脫離高阻狀態(tài)，并在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿輸出同步數(shù)字序列，在先輸出一個(gè)無(wú)效位(NULL BIT)后，接下來(lái)的12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)每個(gè)信號(hào)的下降沿DOUT端從高位(MSB)開(kāi)始輸出12位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿鎖存這12位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期的轉(zhuǎn)換時(shí)間結(jié)束后直至下一次／SHDN端電平出現(xiàn)由高到低的變化，ADS1286工作在低功耗模式下。

    圖2(a)與圖2(b)的不同之處在于，在DOUT端由高位到低位輸出12位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，若DCLOCK端仍然維持時(shí)鐘信號(hào)，則DOUT端從次低位(LSB+1位)開(kāi)始由低到高再次輸出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，直到／SHDN端電平出現(xiàn)由低到高的變化時(shí)停止。若該次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果完整輸出后，DCLOCK端時(shí)鐘信號(hào)仍然有效，則DOUT端輸出低電平信號(hào)，此過(guò)程如圖2(b)所示。

2 溫度采集部分硬件設(shè)計(jì)
    在溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，為了采集目標(biāo)對(duì)象的當(dāng)前溫度，采用測(cè)溫范圍寬，穩(wěn)定性好的鉑電阻作為測(cè)溫元件，由鉑電阻構(gòu)成的惠斯通電橋?qū)囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換成微小電壓信號(hào)后，再經(jīng)儀表放大器進(jìn)行放大，得到放大的模擬溫度信號(hào)。為了能夠?qū)Σ杉瘻囟刃盘?hào)進(jìn)行處理，需要先將采集放大后的模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再送入單片機(jī)處理。本文采用12位分辨率的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1286對(duì)采集到的模擬溫度信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以減小A／D轉(zhuǎn)換的量化誤差，ADS1286是在AT89C2051單片機(jī)發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)的控制下，并在片選有效時(shí)，通過(guò)串行數(shù)據(jù)輸出端向單片機(jī)提供12位串行溫度數(shù)據(jù)。溫度采集部分的原理框圖如圖3所示。

    溫度采集電路如圖4所示，由鉑電阻Rt，電阻R1，R2，R3及可變電阻W1構(gòu)成的惠斯通電橋用于測(cè)量目標(biāo)的溫度，鉑電阻的阻值隨溫度變化發(fā)生相應(yīng)的變化，惠斯通電橋也隨之輸出變化的電壓。該輸出電壓較小，需將其接入如圖4所示的AD620儀表放大器進(jìn)行放，以滿足A／D轉(zhuǎn)換需要的輸入電壓范圍。AD620儀表放大器具有低功耗，高增益的特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)外接可變電阻Rg的阻值改變放大倍數(shù)，其放大增益G=1+49．4 k／Rg。根據(jù)檢測(cè)溫度的范圍，依次調(diào)節(jié)可變電阻W1及Rg，使得在最低和最高檢測(cè)溫度時(shí)，放大器輸出分別為0和5 V，因此溫度在檢測(cè)范圍內(nèi)變化時(shí)，放大器可輸出滿足A／D轉(zhuǎn)換需要的輸入電壓范圍(0～5 V)。
    模擬溫度信號(hào)采集放大后，其輸出信號(hào)通過(guò)+In引腳接入ADS1286芯片進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，ADS1286芯片+VCC引腳接正電源Vcc，VREF引腳接基準(zhǔn)電源VREF，-In及GND引腳接地。ADS1286芯片的DCLOCK，DOUT及三個(gè)引腳分別與AT89C2051單片機(jī)P1．5～P1．3三個(gè)引腳輸出相連，單片機(jī)通過(guò)程序由P1．5引腳輸出ADS1286工作所需的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)P1．3引腳可實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1286芯片的選中及低功耗模式的選擇，該引腳輸出低電平時(shí)，ADS1286片選有效，該引腳高電平時(shí)，ADS1286處于低功耗狀態(tài)。AT89C2051嚴(yán)格按照ADS1286芯片操作時(shí)序，控制ADS1286芯片對(duì)模擬溫度信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字溫度數(shù)據(jù)由DOUT引腳輸出，通過(guò)P1．4引腳串行輸入至單片機(jī)。
    溫度采集電路中，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的±15 V電壓作為AD620儀表放大器的正、負(fù)電源，+15 V電壓接入由TL431ALCP精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓器及電阻R4～R6構(gòu)成的分路穩(wěn)壓器，其輸出向外部提供精準(zhǔn)電壓，被用作惠斯通電橋的電源及ADS1286芯片的基準(zhǔn)電源。
    AT89C2051單片機(jī)對(duì)ADS1286芯片的時(shí)序控制采用圖2(b)所示操作時(shí)序。首先，通過(guò)P1．3引腳向端提供低電平，使ADS1286片選有效，ADS1286開(kāi)始對(duì)模擬輸入電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間tCSD，AT89C2051通過(guò)P1．5引腳向DCLOCK端提供時(shí)鐘信號(hào)。在ADS1286片選有效后，從第二個(gè)時(shí)鐘信號(hào)開(kāi)始進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換時(shí)序，此時(shí)，DOUT端先輸出一個(gè)無(wú)效位，在接下來(lái)的11個(gè)時(shí)鐘信號(hào)每個(gè)信號(hào)的下降沿在DOUT端從高位(MSB)開(kāi)始輸出A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，在緊接著的12個(gè)時(shí)鐘信號(hào)每個(gè)信號(hào)的下降沿DOUT端從LSB位開(kāi)始再次輸出這12位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，AT89C2051單片機(jī)在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿，通過(guò)P1．4引腳從低位到高位接收該次轉(zhuǎn)換結(jié)果。在12位的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)接收完畢后，單片機(jī)通過(guò)P1．3引腳將端置為高電平并準(zhǔn)備下一次從ADS1286接收A／D轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)。

3 溫度采集部分軟件設(shè)計(jì)
    AT89C2051單片機(jī)對(duì)ADS1286芯片的12位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果需要分2次讀取，低8位轉(zhuǎn)換結(jié)果存于片內(nèi)RAM31H單元，高4位轉(zhuǎn)換結(jié)果存于片內(nèi)RAM32H單元。溫度采集A／D轉(zhuǎn)換子程序如下：
   
   
   

4 結(jié)語(yǔ)
    ADS1286是一款性價(jià)比很高的模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將其應(yīng)用于溫度檢測(cè)系統(tǒng)中，串行接口使得電路配置簡(jiǎn)單，而且其較高的分辨率減小了A／D轉(zhuǎn)換的量化誤差，保證了系統(tǒng)對(duì)溫度檢測(cè)的高精度要求。該芯片應(yīng)用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設(shè)計(jì)中，檢測(cè)溫度范圍為0～350℃，微型加熱器溫度檢測(cè)精度達(dá)到±0．1℃。正是由于ADS1286能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，并且保證測(cè)量系統(tǒng)的高精度，它在智能化儀器儀表以及工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價(jià)值。