ADS1212和SST單片機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

時(shí)間：2009-08-25 12:12:19

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[導(dǎo)讀]O 引言數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、通信、過程控制、遙感遙測(cè)等領(lǐng)域，各種高科技技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度進(jìn)一步加強(qiáng)。本文所介紹的就是一種高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在筆者的工作中已經(jīng)得到了充

O 引言
    數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、通信、過程控制、遙感遙測(cè)等領(lǐng)域，各種高科技技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度進(jìn)一步加強(qiáng)。本文所介紹的就是一種高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在筆者的工作中已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用和試驗(yàn)。
    該系統(tǒng)采用的∑一△型A／D轉(zhuǎn)換器ADS1212它具有分辨率高，線性度好，抗干擾能力強(qiáng)(對(duì)噪聲的抑制能力不亞于雙積分ADC)，成本低等不可多得的優(yōu)點(diǎn)，恰好能滿足這種要求。
    單片機(jī)采用SST公司8位微處理器FLAsH-Flex51系列成員SST89E564RD，它采用先進(jìn)的Super-FLASH CMOS半導(dǎo)體技術(shù)設(shè)計(jì)和制造，是采用8051的指令集，并與標(biāo)準(zhǔn)的8051控制器管腳兼容，而且具有SPI端口，接口簡(jiǎn)單，易于編程控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 ADS1212的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    ADS1212芯片內(nèi)部由可編程增益放大器(PGA)、二階∑-△調(diào)制器、調(diào)制控制單元、可編程數(shù)字濾波器、微控制器單元、寄存器組(指令寄存器、命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寄存器)和1個(gè)串行接口，1個(gè)時(shí)鐘電路，1個(gè)內(nèi)部2．5 V電壓基準(zhǔn)等組成。
    ADS1212是高精度、寬動(dòng)態(tài)特性的∑-△型模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它的差動(dòng)輸入端可以直接與傳感器或微小的電壓信號(hào)相連。其內(nèi)部的∑-△結(jié)構(gòu)可確保它的寬動(dòng)態(tài)特性和24位的分辨率。
    由于采用了低噪聲的輸入放大器，可以在轉(zhuǎn)換速度為10 Hz時(shí)獲得23位的有效分辨率；借助于其內(nèi)部獨(dú)特的調(diào)制器加速操作模式，在轉(zhuǎn)換速度為1 kHz時(shí)仍可達(dá)到20位的有效分辨率。該轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)特性的大大提高主要依賴于其前級(jí)的低噪聲程控放大器，其放大倍數(shù)可從1～16進(jìn)行設(shè)定，以2倍步長(zhǎng)增加。該A／D轉(zhuǎn)換器都有一個(gè)靈活的同步串行接口，它與SPI兼容，并且可以提供雙線控制模式。該A／D轉(zhuǎn)換器為單一+5 V供電，有內(nèi)／外參考電壓和內(nèi)部自校準(zhǔn)系統(tǒng)。
    ADS1212主要用于工業(yè)過程控制、儀器儀表、色譜分析、靈巧傳感器、便攜式儀表、稱重儀器、壓力傳感器、高分辨率測(cè)量的場(chǎng)合。
1．2 SST單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    系統(tǒng)采用SST89E564RD作為處理機(jī)，它是SST公司8位微處理器FLASHFlex51系列的成員，是采用先進(jìn)的SuperFLASH CMOS半導(dǎo)體技術(shù)設(shè)計(jì)和制造，是采用8051的指令集，并與標(biāo)準(zhǔn)的8051控制器管腳兼容。
    器件帶有72 KB的片內(nèi)FLASH E2PROM存儲(chǔ)器，使用了SST公司專利的CMOS Super_FLASH E2PROM技術(shù)，存儲(chǔ)器被分成兩塊獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器，第一塊(BLCK0)占用64 KB的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間，第二塊(BLOCK0)占用8 KB的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間。8 KB的第二塊FLASH可以映射到64 KB空間的低地址，還可以被隱藏和當(dāng)成類似E2PROM的獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
1．3 SPI接口的特點(diǎn)
    SST單片機(jī)的串行外設(shè)接口(Serial PeripheraI In-terface，SPI)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備，以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。外圍設(shè)置 FLASHRAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A／D轉(zhuǎn)換器和MCU等。該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入／從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線 MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOST和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，總體來說數(shù)據(jù)傳輸速度比I2C總線要快。
    SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件，其接口包括以下四種信號(hào)：
    (1)MOSI為主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入；
    (2)MISO為主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出；
    (3)SCLK為時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生；
    (4)SS為從器件使能信號(hào)，由主器件控制。
1．4 ADS1212與SST89E564RD的接口電路
    ADS1212與SST89E564RD的接口采用四線制通信方式，如圖1所示。ADS1212的DRDY與 SST89E564RD的INT1相連，即采用外部中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)結(jié)果。采樣數(shù)據(jù)由SDOUT輸出，命令數(shù)據(jù)由SDIO輸入，SCLK作為同步時(shí)鐘，同時(shí)SST89E564RD還留有2根口線與MAX232相連，在需要的時(shí)候可完成與計(jì)算機(jī)通信。根據(jù)采集需要，本系統(tǒng)將ADS1212設(shè)置為從動(dòng)方式(即Slave方式)，同步信號(hào)輸入端DSYNC接高電平。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件采用單片機(jī)高級(jí)語言C51編寫，C51是一種專為MCS-51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效率C語言編譯器。它具有編程方便易用的特點(diǎn)，能夠很方便地操作硬件接口地址，C51編譯器具有極高的編譯效率，編譯代碼可與匯編語言相媲美，而編程效率比匯編語言高很多，采用高級(jí)語言C51編程可以提高源程序的可讀性，便于以后的改進(jìn)和升級(jí)。
    軟件部分包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、串行口通信子程序。主程序的主要功能為系統(tǒng)初始化以及查詢各軟件標(biāo)志，決定系統(tǒng)不同工作模式，執(zhí)行各功能模塊。
2．1 單片機(jī)SPI接口程序
    單片機(jī)SPI接口程序主要包括SPI接口初始化，以及SPI數(shù)據(jù)輸入／輸出程序，SPI接口初始化主要是針對(duì)SPI控制寄存器(SPCR)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置的，SPI控制寄存器(SPCR)格式如下：

    SPIE是SPI中斷使能位，當(dāng)SPIE和ES同時(shí)置為“1”，則SPI中斷使能；
    SPE是SPI使能位，“0”為不使能，“1”為使能；
    DORD是數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蛭?，?”為從高位到低位，“1”為從低位到高位；
    MSTR是主／從選擇位，“0”為從方式，“1”為主方式；
    CPOL是時(shí)鐘極性位，“0”為時(shí)鐘高電平有效，“1”為時(shí)鐘低電平有效；
    CPHA是時(shí)鐘相位控制位，“0”為時(shí)鐘上升沿左觸發(fā)，“1”為時(shí)鐘下降沿左觸發(fā)；
    SPR0，SPR1是SPI時(shí)鐘頻率選擇位，控制SPI時(shí)鐘為單片機(jī)時(shí)鐘的幾分頻，如表1所示：

SPI接口初始化程序如下所示：

2．2 A／D數(shù)據(jù)采集程序
ADS1212內(nèi)部有5種功能寄存器。其中，指令寄存器(INSR)和命令寄存器(CMR)用于控制轉(zhuǎn)換器的操作。數(shù)據(jù)輸出寄存器(DOR)用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器(OCR)和滿量程寄存器(FCR)用于對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。
指令寄存器INSR是一個(gè)8位寄存器，對(duì)ADS1212的每一步操作都是從它開始的。具體格式如下：

    R／W是讀寫控制位；“1”為讀操作，“0”為寫操作。
    MB1MB0是欲讀寫的字節(jié)數(shù)。“00”～“11”對(duì)應(yīng)“1”～“4”；
    A3～A0是欲讀寫寄存器的地址。
    命令寄存器CMR是一個(gè)32位寄存器，通過對(duì)它的操作可以設(shè)置ADS1212的各種工作模式，格式如下：

采樣精度同增益和加速因子的設(shè)置都有關(guān)系，具體如表3所示。這里需要指出的是。不能同時(shí)追求采樣速度和采樣精度，只有選取合適的速度和精度才能體現(xiàn)出該芯片的優(yōu)勢(shì)。

    注：G=1，fXIN=1 MHz(fXIN是外部晶體振蕩囂頻率)
    零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器(OCR)和滿量程寄存器(FCR)用于對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。它們都是24位寄存器，可以在初始化中對(duì)其寫入，以便用于校準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)采集程序的流程圖如圖2所示。

如下是程序的部分片段：

數(shù)據(jù)輸出寄存器DOR為24位寄存器，用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。只有在DRDY信號(hào)為低時(shí)，DOR中的數(shù)據(jù)才有效。如果在(1／fDATA)-12 (1／fXIN)時(shí)間內(nèi)沒有讀出DOR中的數(shù)據(jù)，則它將會(huì)被新的數(shù)據(jù)所覆蓋。DOR中輸出的數(shù)據(jù)格式可以用補(bǔ)碼形式表示，如 “FFFFFFH～000000H～7FFFFFH”，表示“負(fù)最大量程～0～正最大量程”；也可以用原碼形式表示，如 “000000H～800000H～FFFFFFH”，表示“負(fù)最大量程～0～正最大量程”，這可用設(shè)置CMR3的DF位來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 語
采用ADS1212與SST89E564RD完成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集速度快，精度高，還能將數(shù)據(jù)及時(shí)通過串口發(fā)送給上位機(jī)程序，且外圍電路簡(jiǎn)單。因此，能用于較為復(fù)雜的系統(tǒng)開發(fā)，非常適用于工業(yè)控制、自動(dòng)測(cè)試、儀器儀表、遠(yuǎn)程通信等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與傳輸。