高精度微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

對于水下弱磁信號的檢測和處理，需要一個(gè)能連續(xù)工作幾個(gè)月甚至一年以上的采樣精度很高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，這就要求該系統(tǒng)必須具有高精度微功耗的功能。本文所介紹的就是能滿足這一要求的數(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ADS1212作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)具有高精度、寬動(dòng)態(tài)特性的Δ-∑型A/D芯片。下面先對該芯片的主要特點(diǎn)和用法進(jìn)行簡要介紹，隨后介紹ADS1212與微功耗單片機(jī)PIC16F84A的接口電路及程序設(shè)計(jì)。

1 ADS1212/B簡介

1.1 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

ADS1212特點(diǎn)如下：

(1)Δ-∑型A/D轉(zhuǎn)換器。

(2)采樣數(shù)據(jù)輸出速率在10Hz時(shí)有效分辨率可達(dá)到20位，采樣數(shù)據(jù)輸出速率在1000Hz時(shí)有效分辨率可達(dá)16位。

(3)最低功耗為1.4mW。

(4)差分輸入。

(5)具有可編程的增益放大器。

(6)SPI兼容SSI接口。

(7)可編程設(shè)置采樣速率。

(8)可使用內(nèi)部或外部的參考電壓。

(9)具有芯片自校準(zhǔn)功能。

ADS1212芯片為18腳DIP或SOIC封裝，ADS1213含有一個(gè)四通道多

路開關(guān)，為24腳DIP或SOIC封裝或28腳SSOP封裝。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部由可編程增益放大器(PGA)、二階Δ-∑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)、一個(gè)串行接口。一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)內(nèi)部2.5V電壓基準(zhǔn)等組成。

1.2 主要性能

可編程增益放大器的增益(G)可設(shè)為1、2、4、8、16，而加速因子(TMR)也可設(shè)為1、2、4、8、16，它們之間的關(guān)系為乘積應(yīng)≤16，如表1所示。

表1 增益與加速因子的關(guān)系

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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2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。

表2 采樣精度與增益和加速因子的關(guān)系設(shè)G=1，fXIN=1MHz(fXIN是外部晶體振蕩器頻率)

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1.3 主要功能寄存器

ADS1212/13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ADS1211/10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，通過對它的操作可以設(shè)置ADS1211/10的各種工作模式，格式如表3所示。

BIAS是參考電壓輸出開關(guān)位，0為關(guān)，1為開。 2.4 程序設(shè)計(jì)

REFO是基準(zhǔn)電壓輸入開關(guān)位，1為使用內(nèi)部基準(zhǔn)，0為使用外部基準(zhǔn)。

DF是樣數(shù)據(jù)輸出形式位，0為被碼形式輸出，1為原碼形式輸出。

U/B是數(shù)據(jù)極性輸出，0為雙極性數(shù)據(jù)輸出，1單極性數(shù)據(jù)輸出。

BD是讀字節(jié)的順序位，0為從高字節(jié)到低字節(jié)，1為從低字節(jié)到高字節(jié)。

MSB是位的順序位，0為從高位到低位，1為從低位到高位。

SDL是數(shù)據(jù)輸出線選擇位，0為用SDIO輸出，1為用SDOT輸出。

DRDY是只讀位，0表示輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，1表示輸出數(shù)據(jù)沒有準(zhǔn)備好。

DSYNC是只寫位，同DRDY共用一位，0表示不改變調(diào)制器的計(jì)數(shù)器值，1表示將調(diào)制器的計(jì)數(shù)器值復(fù)位到0。

MD2～MD0是模式設(shè)置位，用于設(shè)備芯片的各種工作模式。

G2～G0是增益設(shè)置位，用于對輸入信號設(shè)置增益。

CH1CH0是通道選擇位，只適用于ADS1213，而ADS1212只有一個(gè)通道。

SF2～SF0是加速因子選擇位。

SR12～DR0是抽取速率選擇位(Decimation Ratio)。這里需要指出的是，以前的資料對它的計(jì)算公式均有誤，現(xiàn)更正如下：

fDATA=fXIM.

W 14H ;CMR2=28H(00101000B，自校準(zhǔn)模式，G=4)

MOVWF CMR2

MOVLW 1AH ;CMR1=58H(加速因子TMR=4)

MOVWF CMR1

MOVLW 96H ;CMR0=69H(DR=1869H，DATA RATE=10Hz)

MOVWF CMR0

CALL SPISCW

MOVLW 0E4H ;讀CMR寄存器

MOVWF INSR

CALL SPISCRD ;通信是否正常

MOVF CMR3，0

XORLW 44H

BTFSS 3，2

GOTO START ;通信不正常，返回繼續(xù)

CALL PSCONVT ;進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

采用ADS1212加PIC16F84A及微功耗基準(zhǔn)ADR291、REF196，實(shí)現(xiàn)了高精度微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)工作電流為1.6～1.9mA，采樣精度可達(dá)20位。

信號輸入電路采用差分輸入，其負(fù)端接2.5V基準(zhǔn)電壓，有效降低了系統(tǒng)噪聲對采樣結(jié)果的影響。

PIC16F84A具有微功耗的特點(diǎn)，但缺少通訊接口，通過軟件成功開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)異步串型通訊接口。

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于水下弱磁信號的檢測與處理。