AD7674和C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　1 AD7674和C8051060簡(jiǎn)介

　　1．1 AD7674簡(jiǎn)介

　　AD7674是一款高精度 18位逐次逼近(SAR)型ADC，具有采樣速率高、精度高、功耗低、無(wú)管道延遲的特點(diǎn)，其采樣速率最高可以達(dá)到800 kHz，積分非線性誤差(INL)最大為±2．5 LSB，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)可保證無(wú)丟碼。該器件是全差分輸入，5 V單電源供電，可接5 V或3．3 V數(shù)字電源。AD7674還具有許多其他特點(diǎn)，包括1個(gè)內(nèi)部變換時(shí)鐘、1個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器、誤差修正電路以及串行(SPI)與并行(18、16或8位總線)接口。

　　AD7674采用逐次逼近結(jié)構(gòu)。由于逐次逼近結(jié)構(gòu)的多路技術(shù)和低功耗，使此器件比一般∑-△ A／D轉(zhuǎn)換器的性能更優(yōu)越；而且芯片內(nèi)部還集成了跟蹤保持電路，逐次逼進(jìn)的結(jié)構(gòu)使其沒(méi)有任何通道延時(shí)，這些特征使該器件廣泛地應(yīng)用于多通道系統(tǒng)中。

　　器件的原理框圖如圖1所示。

　　AD7674能提供3種不同轉(zhuǎn)換速率工作方式，以便對(duì)不同的具體應(yīng)用優(yōu)化性能。這3種工作模式如下：

• 　　WARP，允許采樣率高達(dá)800 kHz。然而在這種模式下只有當(dāng)轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間不超過(guò)1 ms時(shí)，才能保證其轉(zhuǎn)換的精度。如果連續(xù)兩次轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間大于1 ms，第一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果就會(huì)被忽略，這種模式適合于要求快速采樣率的應(yīng)用。
• 　　NORMAL，這種模式的采樣率為666 kHz，在這種模式下對(duì)采樣轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間沒(méi)有限制，既可保證高的轉(zhuǎn)換精度又可確?？焖俚牟蓸铀俾省?
• 　　IMPULSE，一種低功耗模式，其采樣率為570 kHz。例如當(dāng)器件工作在1 kHz時(shí)，僅消耗功率136μW。該器件適合于電池供電的應(yīng)用。

　　1．2 C8051 F060簡(jiǎn)介

　　C8051F060單片機(jī)是表貼TQFP100封裝，包括1個(gè)8051內(nèi)核，2個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換器，8個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器，1個(gè)SPI接口，1個(gè)I2C接口，2個(gè)UART接口，64 KB Flash及22個(gè)中斷源。只用1塊C8051F060芯片即可完成單片機(jī)8051的各種控制，多路A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換，I2C、SPI數(shù)據(jù)總線傳輸，RS232、RS485串口通信等功能，從而大大減少了元器件的種類，縮小了印制板的面積，節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)可靠性。而其交叉開(kāi)關(guān)方式的配置，使I／O口應(yīng)用更加靈活方便。

2 AD7674與C8051F060的接口

電路圖2為AD7674在高速采集系統(tǒng)中的外圍電路和接口電路。外圍電路包括電壓基準(zhǔn)輸入的設(shè)計(jì)、模擬電壓輸入部分的設(shè)計(jì)、模擬和數(shù)字電源供電的設(shè)計(jì)及接口電路的設(shè)計(jì)。接口電路包括AD7674與C8051F060和CPLD的接口。

　　3 A／D轉(zhuǎn)換

　　本文中的AD7674采用NORMAL模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換。在這種模式下對(duì)采樣轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間沒(méi)有限制，這樣可同時(shí)保證高的轉(zhuǎn)換精度和采樣速率。

　　CNVST信號(hào)控制AD7674轉(zhuǎn)換的開(kāi)始，一旦轉(zhuǎn)換開(kāi)始就不能放棄或重新開(kāi)始，直到轉(zhuǎn)換完成。CNVST信號(hào)與CS和RD互不干擾。

　　AD7674的并口總線寬度可配置為18位、16位或8位。數(shù)據(jù)既可以在每次轉(zhuǎn)換完成后讀出，也可在下一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中讀出，讀數(shù)據(jù)時(shí)序如圖3所示。然而在轉(zhuǎn)換過(guò)程讀數(shù)據(jù)模式中，推薦在前半轉(zhuǎn)換周期讀數(shù)據(jù)，這樣可以避免數(shù)字接口和模擬轉(zhuǎn)換電路之間潛在的數(shù)據(jù)沖突。本文采用的是8位并口總線寬度，配置為 MODE0=0，MODE1＝1，以便于和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　值得注意的是在讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，采用轉(zhuǎn)換完畢后讀取數(shù)據(jù)。要保證時(shí)序關(guān)系正確，一定要在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，而下一次轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前把數(shù)據(jù)讀走；假如讀取數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換沒(méi)有結(jié)束或剛啟動(dòng)下一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，則會(huì)造成讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本文采用CPLD經(jīng)由外部有源晶振進(jìn)行分頻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換信號(hào)CNVST與讀信號(hào)RD相關(guān)，使得RD信號(hào)和CNVST信號(hào)同步，從而保證讀取的采集數(shù)據(jù)正確無(wú)誤。

　　4 軟件編程

　　在軟件編制時(shí)，首先要對(duì)單片機(jī)C8051F060進(jìn)行初始化和對(duì)AD7674進(jìn)行配置，再啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)C8051F060的初始化包括對(duì)單片機(jī)的I／O端口、交叉開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化。AD7674配置包括轉(zhuǎn)換模式、總線接口數(shù)據(jù)方式和采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的配置。部分源代碼程序如下：

　　結(jié) 語(yǔ)

　　本文詳細(xì)介紹了高速率、高精度的18位AD7674與C8051F060之間并口通信的接口電路及其軟件設(shè)計(jì)。該嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，在Keil 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用單片機(jī)C語(yǔ)言編寫(xiě)、調(diào)試完成。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可應(yīng)用于各種信號(hào)處理系統(tǒng)中，具有很高的推廣價(jià)值。本文采用的單片機(jī)配置靈活，傳輸速度快，接口采用并口通信，可實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)AD7674與AD7678、AD7679等18位SAR ADC以及AD7621、AD7623等16位高速SAR ADC引腳相兼容，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的靈活性和拓展性。