LM12H458高集成度的數據采集系統(tǒng)DAS芯片的應用
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1 概述
LM12H458是高集成度的數據采集系統(tǒng)?DAS?芯片，它將采樣保持、A/D轉換集成在一塊芯片內，從而大大減少了外圍電路的設計。其8路模擬信號輸入既可作為單端輸入，又可兩兩組成差分輸入。器件內部提供的一個2.5V參考電壓、8×48bit指令RAM和32×16bit的FIFO大大減小了微處理器的負擔。LM12H458的工作電壓為3～5.5V，功耗小于34mW，待命模式下的功耗只有50μW。此外，LM12H458還有如下主要性能：
●有三種工作模式：分別為帶符號的13位模式、帶符號的9位模式和看門狗模式;
●有8個模擬信號輸入通道，模擬信號可單端輸入，也可差分輸入;
●內置采樣保持和2.5V參考電壓;
●內含32×16bit的FIFO;
●采樣時間和轉換速率可編程;
●具有自校準和診斷模式;
●帶有8位或16位數據總線。
2 引腳功能和功能說明
LM12H458的引腳功能如表1所列。圖1為其內部功能框圖。LM12H458是一個多功能數據采集系統(tǒng)，其內部的電荷重分配ADC采用電容梯形網絡代替普通的電阻梯形網絡，并使用逐步逼近寄存器的DAC使VREF-和VREF+之間產生一個中間電壓，該電壓與輸入的采樣電壓相比較可產生數字輸出的每一位，中間電壓的個數和比較的次數對應于ADC的分辨率，通過校準ADC中的電容網絡可校準數字輸出的每一位精度。LM12H458有兩種不同的校準模式：一種是補償偏移電壓或零誤差，在該模式下只測量一次偏移誤差，并依此建立修正系數;另一種為修正偏移誤差和ADC線性誤差，稱為全校準。將該模式下的偏移誤差測量八次，并取平均值即可建立修正系數。上述兩種模式的修正系數被存貯在內部的偏移修正寄存器中。LM12H458的線性修正是通過修正內部DAC的失配電容獲得的，在LM12H458內部ROM中存有校準算法，可對每一個電容校準8次并取平均值，從而產生線性修正系數。一旦校準后，內部算術邏輯單元(ALU)即可使用偏移誤差修正系數和線性修正系數來修正每一次的轉換結果?？撮T狗模式用于監(jiān)控單端輸入或差分輸入信號的幅值。每個采樣信號都有上下兩個門限，輸入信號高于或低于某一門限值都會產生中斷。
表1 LM12H458的腳符號及功能
| 引腳號 | 符 號 | 功 能 |
| 1，12 | VA+，VD+ | 模擬電源和數字電源 |
| 2～11，13～18 | D0～D15 | 雙向數據總線，總線寬度由BW決定。BW=1，總線寬度為8bit，BW=0，總線寬度16bit |
| 19 | RD | 讀信號輸入 |
| 20 | WR | 寫信號輸入 |
| 21 | CS | 片選輸入 |
| 22 | WR | 地址鎖存，用于總線復用的系統(tǒng)中 |
| 23 | ALE | 外部時鐘輸入，頻率范圍為0.05MHz～10MHz |
| 24～28 | A0～A4 | 地址線 |
| 29 | SYNC | 同步輸入/輸出，當配置寄存器的“I/O選擇”位清零時，SYNC為輸入；而當“I/O選擇”位置為1時，SYNC為輸出。 |
| 30 | BW | 總線寬度設定位，BW=1時，總線寬度為8bit，BW=0時，總線寬度為16bit |
| 31 | INT | 中斷輸出，低電平有效 |
| 32 | DMARQ | DMA請求輸出，高電平有效 |
| 33 | GND | 接地 |
| 34～41 | IN0～IN7 | 模擬信號輸入通道 |
| 42 | VREF- | 負參考電壓輸入，電壓范圍為0～VREF- |
| 43 | VREF+ | 正參考電壓輸入，電壓范圍0～VA+ |
| 44 | VREFOUT | 內部2.5V參考電壓輸出 |
LM12H458是一個多功能數據采集系統(tǒng)，內部有28個16bit的寄存器，各個寄存器的功能如下：
配置寄存器是DAS的控制中心，可用于控制序列器的啟動和停止、復位RAM指針和標志、設置待命狀態(tài)、校準偏移和線性誤差、選擇RAM區(qū)等。
指令RAM分為三個區(qū)：指令區(qū)、門限1區(qū)、門限2區(qū)。每一條指令(48bit=3X16bit)分散在三個16比特字寬的RAM區(qū)中，三個區(qū)的選擇可由配置寄存器2bit的RAM指針來控制。指令區(qū)可設置通道的選擇、工作模式、采樣時間和循環(huán)位。其它兩個區(qū)用于設置上下門限值。DAS可從指令0連續(xù)執(zhí)行所有設置的指令，執(zhí)行的最后一條指令的循環(huán)位為1時，再返回到指令0。指令執(zhí)行期間，微處理器不能訪問指令RAM，只有處理器終止指令循環(huán)后才可訪問。
FIFO為只讀寄存器，可用于存儲轉換結果。
中斷使能寄存器可使用戶激活8個中斷源，該寄存器的高字節(jié)與中斷1、2有關。
圖2 LM12H458與80C51的接口電路 點擊放大
中斷狀態(tài)寄存器和門限狀態(tài)寄存器用于指示DAS中斷源和輸入信號是否超過上門限或下門限。
定時寄存器用于設置指令執(zhí)行前的等待時間。而指令寄存器的bit9可使能或禁止插入等待時間。
LM12H458有8個中斷源，各中斷具有同等的優(yōu)先級別，中斷使能寄存器可使能或禁止相應的中斷，當發(fā)生中斷時，中斷狀態(tài)寄存器相應的位置1。各個中斷對應的功能如下：
●INT0：模擬輸入信號在規(guī)定的門限值以外產生中斷。
●INT1：序列發(fā)生器執(zhí)行到某條指令時，該指令地址等于中斷使能寄存器中bit8～bit10設定的值時，產生中斷。
●INT2：A/D轉換的結果保存在FIFO，當FIFO中轉換結果的個數等于中斷使能寄存器比特11～15中設定的值時，產生中斷。
●INT3：完成單次采樣自動校準后產生中斷。
●INT4：完成一次完整的自校準后產生中斷。
●INT5：執(zhí)行時，指令暫停位為1時產生中斷。
●INT6：電源指示中斷，當芯片供電電壓小于4V時，產生中斷。
●INT7：在從等待模式返回10ms后產生中斷。
圖3 編程流程圖 點擊放大
3 應用
3.1 硬件電路設計
LM12H458靈活的總線接口簡化了與多種微處理器的接口，它既可與8位處理器相連，又可方便地與16位微處理器相連。圖2為AT89C51與DAS的接口電路圖。該電路采用全地址譯碼方式來產生DAS的片選信號CS，其DAS映射的地址空間為0000-001F，數據總線寬度為8bit。圖中的74HC373用于鎖存低8位地址，而8bit幅度比較器則可用來對高8位地址進行譯碼，通過比較地址與地址范圍所選擇的輸入邏輯可產生U5(74HC138)的選通信號，74HC138的Y0可作為DAS的片選信號。DAS的INT端口用于驅動AT80C51的中斷INT0，同時它還允許DAS請求中斷服務。
3.2 軟件編程
LM12H458雖然應用靈活、廣泛，但基本的工作流程不變，圖3為其典型的編程流程。在處理器初始化后，應向DAS寫入合適的指令以初始化DAS，以便設置采樣時間、工作模式、通道選擇等。完成一次全校準需要4944個時鐘周期，若設置中斷使能，校準后應產生中斷以通知微處理器。全校準會影響DAS的內部標志和指針，從而影響指令的執(zhí)行。因此校準后必須復位。將配置寄存器的bit0設置為1可啟動序列器。流程圖中的p表示用戶定義的不同工作模式。圖3(a)為DAS的初始化和序列器的啟動流程，圖3(b)為中斷服務例程。當進入中斷服務后，配置寄存器的bit0應清零以停止A/D轉換，然后處理中斷事務。
4 結論
LM12H458數據采集系統(tǒng)芯片功能強大、應用靈活，可廣泛用于數據記錄、測量儀器、慣性制導、過程控制、能源消耗管理等方面。由于篇幅所限，本文僅作簡單介紹，有關LM12H458的詳細技術資料可在National Semiconductor的網站上獲得。筆者已將LM12H458用于PI網絡石英晶體元件的測試系統(tǒng)中。使用證明：LM12H458的轉換精度很高，而且工作穩(wěn)定可靠。
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