一線式A/D轉(zhuǎn)換器DS2450的原理與應(yīng)用

前言

DS2450是一線式4通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍、轉(zhuǎn)換精度位數(shù)、報警門限電壓可編程；每個通道有各自的存儲器以存儲電壓范圍設(shè)置、轉(zhuǎn)換結(jié)果、門限電壓等參數(shù)；普通方式下串行通信速率達(dá)16.3kbps，超速工作時速率達(dá)142kbps，片內(nèi)16位循環(huán)冗余校驗碼生成器可用于檢測通信的正確性；DS2450采用8引腳SOIC小體積封裝形式，既可用單5V電源供電，也可采用寄生電源方式供電。電路正常工作時僅消耗2.5mW功率，不工作時消耗25μW。多個DS2450或其他功能的具有MicroLAN接口的一線式芯片可以并聯(lián)，CPU只需一根端口線就能與諸多一線式芯片通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。

2 DS2450的引腳排列和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS2450為8引腳SOIC型封裝，其管腳功能如下：

1腳（VDD）：工作電源接入端
2腳（N.C）：空引腳
3腳（DATA）：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端
4腳（GND）：接地端
5腳（AIN－A）：A路模擬電壓輸入端
6腳（AIN－B）：B路模擬電壓輸入端
7腳（AIN－C）：C路模擬電壓輸入端
8腳（AIN－D）：D路模擬電壓輸入端

圖1 DS2450的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

DS2450的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS2450的地址序列碼；64位光刻ROM的排列是：開始8位（20H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS2450自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。光刻ROM的作用是使每一個一線式器件的地址都各不相同，以便實現(xiàn)一根總線上掛接多個一線式電路。

對于一線端口，在ROM功能建立之前，其它功能是無法實現(xiàn)的。總線控制器必須首先通過DATA引腳對DS2450提供7個ROM功能控制命令（8位）之一：（1）讀ROM，命令字[33H]；（2）匹配ROM[55H]；（3）搜索ROM[F0H]；（4）跳過ROM[CCH]；（5）條件搜索ROM[ECH]；（6）超速跳過ROM[3CH]；（7）超速匹配ROM[69H]。其中，超速跳過ROM或超速匹配ROM命令執(zhí)行后，串行通信速率可高達(dá)142kbps。如果多個器件連接在一線上，這些命令對每個器件的64位ROM部分進行操作，并挑選出一個特定的器件。對選中的DS2450，執(zhí)行下一步的A/D轉(zhuǎn)換控制命令以及讀寫存儲器的命令，所有命令或數(shù)據(jù)的讀/寫均從最低位開始。

3 存儲器組織方式

DS2450內(nèi)部有24個地址毗連的8位存儲器，可將其分成3頁，每頁8字節(jié)。DS2450的存儲器組織方式及各位含義如表1所示（高位地址為00H）。

第0頁為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲器，每個通道占2個字節(jié)16位，芯片上電復(fù)位時該頁清0；其中00H、01H存儲A通道轉(zhuǎn)換結(jié)果，LSB?A為最低位，MSB?A為最高位；02H、03H存儲B通道轉(zhuǎn)換結(jié)果;04H、05H存儲C通道轉(zhuǎn)換結(jié)果;06H、07H存儲D通道轉(zhuǎn)換結(jié)果，對應(yīng)位含義與A通道相同。

第1頁為A/D轉(zhuǎn)換控制與狀態(tài)存儲器，08H、09H對應(yīng)于A通道，其余通道依次類推，各位含義相同。RC3、RC2、RC1、RC0的組合控制A/D轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，0000為16位、0001為1位、……、1111為15位；特別值得注意的是，若控制轉(zhuǎn)換精度不足16位，則在轉(zhuǎn)換結(jié)果的“低位”補0，湊足16位，因此讀出結(jié)果的16位值中,哪些是有效位與RC3、RC2、RC1、RC0的組合有關(guān)。對于用作模擬量輸入的通道，輸出使能位OE必須為0，否則模擬輸入不被接受，轉(zhuǎn)換結(jié)果始終全為0，而此時輸出控制位OC可以不必關(guān)心。不用作模擬量輸入的通道可以作為漏極開路的數(shù)字輸出端，外接上拉電阻器和工作電源，在輸出使能位OE=1時，若輸出控制位OC寫入1，則輸出高電平，OC寫入0，則輸出低電平。IR控制輸入電壓范圍，IR=1時模擬輸入高限為5.10V，IR=0時輸入高限為2.55V。AEH、AEL分別為高、低門限電壓報警允許控制端；AFH、AFL分別為模擬輸入是否超過規(guī)定的高門限、低于規(guī)定的低門限的狀態(tài)指示位，若輸入超限，相應(yīng)位自動置1。上電復(fù)位標(biāo)志位POR與通道無關(guān)，上電復(fù)位時4個POR自動置1，說明控制字和門限值等未準(zhǔn)備好，該位可用軟件清0。表中為0的位無效，讀出時始終為0且不能寫入1。DS2450上電復(fù)位時，默認(rèn)的控制/狀態(tài)數(shù)據(jù)的低位為08H、高位為8CH，即4個通道均作為模擬輸入通道、8位轉(zhuǎn)換精度、輸入高限2.55V、允許高低限報警。

第2頁為各通道輸入高/低限報警值存儲器，10H存放A通道低門限8位報警值、11H存放A通道高門限8位報警值，其余通道依次類推，各位含義相同。在判斷是否超限時，只將存儲的門限值與轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位進行比較，然后自動改變AFH、AFL的狀態(tài)。上電復(fù)位時，高限值自動設(shè)置為FFH，低限值自動設(shè)置為00H。

4 轉(zhuǎn)換與讀/寫控制

4．1轉(zhuǎn)換控制

通過DS2450的DATA端串行送出轉(zhuǎn)換命令字[3CH]，隨后送出通道選擇字和預(yù)置控制字，啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。DS2450的通道選擇字和預(yù)置控制字的各位含義如表2所示。

在通道選擇字中，對應(yīng)位為1表示該通道參與轉(zhuǎn)換。同時選擇多個通道時，其轉(zhuǎn)換順序為A→B→C→D，未選中的通道被跳過。其A/D轉(zhuǎn)換的時間可用下式近似計算：轉(zhuǎn)換時間=通道數(shù)×轉(zhuǎn)換精度位數(shù)×80μs＋160μs。當(dāng)所有通道轉(zhuǎn)換完畢，發(fā)讀存儲器命令可以獲得轉(zhuǎn)換結(jié)果和對應(yīng)的狀態(tài)。

表2DS2450的通道選擇字和預(yù)置控制字的各位含義

（a）初始化時序

（b）寫時序

（c）讀時序

圖2DS2450的工作時序圖

圖3DS2450與微處理器的典型連接圖

預(yù)置控制字可以對相應(yīng)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲器進行預(yù)置。SET、CLR=00，不預(yù)置，保持上次轉(zhuǎn)換值；SET、CLR=01，轉(zhuǎn)換前預(yù)置為全0；SET、CLR=10，預(yù)置為全1；SET、CLR=11，無效組合。

4．2存儲器讀/寫控制

讀存儲器命令用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果、工作狀態(tài)、門限設(shè)定值等。總線管理器首先送出讀存儲器命令字[AAH]，然后送出兩字節(jié)的16位“起始數(shù)據(jù)”存儲器地址，從總線上讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，地址自動加1，可緊接著讀取下一個數(shù)據(jù)；當(dāng)一頁讀完后，隨后讀取的兩個字節(jié)為內(nèi)部自動產(chǎn)生的16位循環(huán)冗余校驗碼，它由前面送出的命令字、地址、讀取的存儲器數(shù)據(jù)，根據(jù)表達(dá)式CRC16=X16＋X15＋X2＋1生成，對校驗碼生成和應(yīng)用的詳細(xì)資料可參閱相關(guān)文獻。

寫存儲器命令主要針對第1頁和第2頁的存儲器，目的是寫入各通道的工作方式控制字和對應(yīng)通道的高、低門限設(shè)定值?？偩€管理器首先送出寫存儲器命令字[55H]，然后送出兩字節(jié)的16位存儲器起始地址，接著逐個送出要寫入的數(shù)據(jù)，其地址也是自動加1。若在剛寫完一個數(shù)據(jù)后執(zhí)行讀操作，讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)剛好為前一次寫入的數(shù)據(jù)，可利用這一特點對寫入和讀出的數(shù)據(jù)進行比較，以判斷傳輸?shù)恼_性。

如果通過軟件校驗，發(fā)現(xiàn)了讀/寫中的傳輸錯誤，則必須對芯片進行初始化，并重新進行讀寫操作。

4．3DS2450的工作時序

DS2450的一線工作協(xié)議流程是：初始化→ROM功能命令→存儲器讀寫/轉(zhuǎn)換控制功能命令→傳輸數(shù)據(jù)。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序，在普通速度工作模式下，如圖2（a）（b）（c）所示。

初始化時序包括總線管理器（主機）發(fā)出的復(fù)位脈沖和DS2450反饋送出的存在脈沖兩部分，存在脈沖告訴主機DS2450在線且已準(zhǔn)備好；讀/寫時序規(guī)定了在DS2450的DATA端串行讀寫數(shù)據(jù)位時的時序配合要求。

5 DS2450與單片機的典型接口設(shè)計

圖3以MCS－51系列單片機為例，示出DS2450與微處理器的典型連接。其DATA端接AT89C51的P1.0，采用外接電源供電方式，其VCC端用5V電源供電。此例中僅對D通道進行A/D轉(zhuǎn)換，AIN－D接模擬信號輸入；AIN－A，AIN－B外接上拉電阻器和電源，其輸出作為D通道的高、低限報警。

假設(shè)單片機系統(tǒng)所用的晶振頻率為12MHz，根據(jù)DS2450的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫了3個子程序：INIT為初始化子程序，發(fā)送復(fù)位脈沖并接收存在脈沖；WRITE為寫（命令或數(shù)據(jù)字節(jié)）子程序，READ為讀數(shù)據(jù)子程序。所有要讀寫的命令或數(shù)據(jù)字節(jié)均放在A寄存器中(限于篇幅，略去源程序，有興趣者可向作者索取)。

主機控制DS2450完成A/D轉(zhuǎn)換一般必須經(jīng)過以下幾個步驟：初始化使DS2450準(zhǔn)備好、發(fā)ROM功能命令和相應(yīng)的64位光刻ROM數(shù)據(jù)選中特定芯片、寫入工作方式控制字和高/低限值、發(fā)轉(zhuǎn)換控制命令、讀取轉(zhuǎn)換值及狀態(tài)。

例如，將D通道設(shè)定為5.1V輸入范圍、轉(zhuǎn)換精度為12位、高報警門限為3.0V（96H）、低報警門限為2.0V（64H）、通道A和B作為報警輸出、轉(zhuǎn)換結(jié)果放在如下30H和31H的子程序CTLAD中。

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CTLAD:LCALLINIT；發(fā)復(fù)位脈沖并接收存在脈沖
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；發(fā)“跳過ROM”命令
；設(shè)置4個通道工作方式控制字，寫入存儲器地址從0008H開始
FSKZ：MOVA,＃55H
LCALLWRITE；發(fā)“寫存儲器”命令
MOVA,＃08H
LCALLWRITE；發(fā)低8位地址
MOVA,＃00H
LCALLWRITE；發(fā)高8位地址
MOVA,＃0C0H
；A通道漏極開路數(shù)字輸出方式
LCALLWRITE；發(fā)A通道工作方式低字節(jié)
MOVA,＃00H
；與報警、輸入范圍等設(shè)置無關(guān)
LCALLWRITE；發(fā)A通道工作方式高字節(jié)
MOVA,＃0C0H
；B通道漏極開路數(shù)字輸出方式
LCALLWRITE；發(fā)B通道工作方式低字節(jié)
MOVA,＃00H
；與報警、輸入范圍等設(shè)置無關(guān)
LCALLWRITE；發(fā)B通道工作方式高字節(jié)
MOVA,＃01H
；C通道不用，可隨意設(shè)置
LCALLWRITE；發(fā)C通道工作方式低字節(jié)
MOVA,＃00H
；C通道不用，可隨意設(shè)置
LCALLWRITE；發(fā)C通道工作方式高字節(jié)
MOVA,＃0CH
；D通道12位A/D轉(zhuǎn)換方式
LCALLWRITE；發(fā)D通道工作方式低字節(jié)
MOVA,＃0DH
；5.1V輸入范圍，允許高低限報警
LCALLWRITE；發(fā)D通道工作方式高字節(jié)
；設(shè)置D通道高/低限值報警值，寫入存儲器地址從0016H開始
BJSZ：LCALLINIT；發(fā)復(fù)位脈沖并接收存在脈沖
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；發(fā)“跳過ROM”命令
MOVA,＃55H
LCALLWRITE；發(fā)“寫存儲器”命令
MOVA,＃16H
LCALLWRITE；發(fā)低8位地址
MOVA,＃00H
LCALLWRITE；發(fā)高8位地址
MOVA,＃64H
；低門限報警值2.0V（64H）
LCALLWRITE；送D通道低門限存儲器
MOVA,＃96H
；高門限報警值3.0V（96H）
LCALLWRITE
；送轉(zhuǎn)換控制字，啟動A/D轉(zhuǎn)換。
QDZH:LCALLINIT；發(fā)復(fù)位脈沖并接收存在脈沖
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；發(fā)“跳過ROM”命令
MOVA,＃3CH
LCALLWRITE;發(fā)“轉(zhuǎn)換控制”命令字
MOVA,＃08H
;僅D通道參與轉(zhuǎn)換
LCALLWRITE；發(fā)通道選擇控制字
MOVA，＃40H
;D通道轉(zhuǎn)換前預(yù)置為全0
LCALLWRITE；發(fā)預(yù)置數(shù)據(jù)控制字
；讀取D通道轉(zhuǎn)換結(jié)果，放在31H、30H
RDDT：LCALLINTI；發(fā)復(fù)位脈沖并接收存在脈沖
MOVA，＃0CCH
LCALLWRITE;發(fā)“跳過ROM”命令
MOVA，＃0AAH
LCALLWRITE;發(fā)“讀存儲器”命令字
MOVA，＃06H
LCALLWRITE；發(fā)低8位地址
MOVA，＃00H
LCALLWRITE;發(fā)高8位地址
LCALLREAD
MOV30H，A
；低位轉(zhuǎn)換結(jié)果放在30H
LCALLREAD
MOV31H，A
；高位轉(zhuǎn)換結(jié)果放在31H
RET
……

如果一線上掛接多個DS2450和其他一線式接口芯片、采用寄生電源供電方式、工作在超速模式、通信中進行校驗，則子程序CTLAD的編寫就要復(fù)雜一些，限于篇幅，這一部分不再詳述，請參閱文獻[1][2]的相關(guān)內(nèi)容。