14位A/DMAX194在ARM單片機(jī)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

引言

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)測(cè)量與控制，越來(lái)越多的領(lǐng)域采用了A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。隨著大規(guī)模集成電路芯片技術(shù)的發(fā)展，速度更快、精度更高、使用更方便的集成電路芯片層出不窮。本文介紹了一種筆者使用后取得良好效果的新型A/D轉(zhuǎn)換芯片—MAX194。另外，由于32位處理器的價(jià)格不斷下降，用戶已可以大量使用，而32位RISC處理器則更是受到青睞，并將在某些領(lǐng)域替代原來(lái)的8位單片機(jī)。其中，ARM嵌入式微處理器系列處于領(lǐng)先地位。筆者所介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用的是PHILIPS公司生產(chǎn)的以ARM7處理器作為內(nèi)核的LPC2104單片機(jī)。

1 MAX194簡(jiǎn)介

MAX194是MAXIM公司推出的一種逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，具有高速、高精度、低功耗等特點(diǎn)。MAX194內(nèi)部設(shè)有校準(zhǔn)電路，用于保證全溫度范圍內(nèi)的線性度，從而維持全量程內(nèi)的高性能，且不需要外部的調(diào)整電路。分開(kāi)的模擬和數(shù)字供電最大程度地減少了數(shù)字噪聲耦合。MAX194的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要特性如下：

◇ 14位分辨率，1／2LSB非線性度，82分貝的信噪比；
◇ A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為9.4 μs；
◇ 低功耗，節(jié)電模式下僅為10 μA；
◇ 內(nèi)置采樣／保持器(T/H)；
◇ 單極性(0～VREF)或雙極性(－VREF～VREF)輸入；
◇ 3態(tài)串行接口輸出；
◇ 與16位的A/D轉(zhuǎn)換器MAX195引腳兼容、輸出數(shù)據(jù)格式相同，便于升級(jí)。

1．1 MAX194的主要引腳功能

◇ BP/UP/SHDN：三態(tài)輸入選擇端。0 V為關(guān)斷，+5 V為單極性，浮空為雙極性；
◇ CLK：轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端；
◇ SCLK：串行時(shí)鐘輸入端。用于移出數(shù)據(jù)，可以與CLK異步；
◇ DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端。高位先出；
◇ EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)上升，結(jié)束時(shí)下降；
◇ CS：片選輸入端。當(dāng)為低電平時(shí)允許三態(tài)數(shù)據(jù)輸出；
◇ CONV：轉(zhuǎn)換開(kāi)始輸入端。在波形的下降沿開(kāi)始轉(zhuǎn)換；
◇ RESET：復(fù)位輸入端；
◇ REF：參考電壓輸入端；
◇ AIN：模擬量輸入端。

1．2 工作模式

MAX194有兩種接口模式。

◇ 同步模式：MAX194在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，每轉(zhuǎn)換完成一個(gè)，數(shù)據(jù)位就輸出一位。此時(shí)，SCLK應(yīng)該接地，CLK既作為ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘又作為串行接口的移位輸出時(shí)鐘。

◇ 異步模式：?jiǎn)纹瑱C(jī)只能在MAX194完成一次轉(zhuǎn)換之后才能將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，然后再啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。這種模式降低了MAX194連續(xù)轉(zhuǎn)換的速度。

1．3 硬件接口

串行接口標(biāo)準(zhǔn)與SPITM、QSPITM兼容。MAX194在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)需要由外部提供時(shí)鐘信號(hào)。圖2是MAX194與單片機(jī)采用異步模式的硬件連接圖。該圖中，MAX194進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘信號(hào)由外部晶振分頻得到。使用者也可根據(jù)需要由單片機(jī)提供該時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)的最大頻率是1.7 MHz，參考電壓的范圍是0～VDDA+0.3 V。為了防止從AIN端輸入的信號(hào)損壞ADC，應(yīng)在信號(hào)輸入端加電壓限幅電路以保護(hù)MAX194。圖3是其時(shí)序圖。P3.0產(chǎn)生的START信號(hào)與CLK信號(hào)相“或”后作為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的CONV信號(hào)。CONV的下降沿可以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，開(kāi)始轉(zhuǎn)換后監(jiān)測(cè)EOC，當(dāng)它由高電平變低時(shí)說(shuō)明轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，適當(dāng)延時(shí)后就可以從串口讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀數(shù)據(jù)的最高速率是4.19 Mbps。

2 LPC2104芯片簡(jiǎn)介

LPC2104 包含一個(gè)支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線(AHB)以及用于連接片內(nèi)外設(shè)的VLSI外設(shè)總線VPB與ARM7 高級(jí)外設(shè)總線相兼容的超集。主要特點(diǎn)有：128 K 片內(nèi)Flash 程序存儲(chǔ)器帶ISP 和IAP 功能；Flash 編程時(shí)間1 ms；可編程512字節(jié)；扇區(qū)擦除和整片擦除只需400 ms；16 K 靜態(tài)RAM；向量中斷控制器；仿真跟蹤模塊支持實(shí)時(shí)跟蹤；標(biāo)準(zhǔn)ARM 測(cè)試/調(diào)試接口兼容現(xiàn)有工具；雙UART的其中一個(gè)帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口；高速I2C 串行接口400 kB/s；SPI 串行接口；兩個(gè)定時(shí)器分別具有4 路捕獲／比較通道；多達(dá)6 路輸出的PWM 單元；實(shí)時(shí)時(shí)鐘；看門狗定時(shí)器；通用I/O 口；CPU 操作頻率可達(dá)60 MHz。

3 MAX194與LPC2104接口設(shè)計(jì)

3．1 硬件接口

MAX194和LPC2104都帶有標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)它們的硬件和軟件接口。其硬件接口如圖2所示。SPI 是一個(gè)全雙工的串行接口，它被設(shè)計(jì)成用于處理在一個(gè)給定總線上多個(gè)互連的主機(jī)和從機(jī)。在一定數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，接口上只能有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)通信。在一次數(shù)據(jù)傳輸中，主機(jī)總是向從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，而從機(jī)也總是向主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。
在該系統(tǒng)中，LPC2104設(shè)置為主機(jī)，MAX194設(shè)置為從機(jī)主機(jī)操作。

3．1 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件的流程圖如圖4所示。主要分為三大部分。

1、SPI配置部分：首先，配置LPC2104的SPI引腳模塊；隨后，設(shè)置SPI_SPCCR和SPI_SPCR，并將LPC2104的SPI模塊設(shè)置為主模式，MSB(最高位)先傳輸，禁止SPI中斷，SPI接口速率為1 MHz，CPOL=0、CPHA=0在SCLK下降沿觸發(fā)。

2、MAX194轉(zhuǎn)換部分：通過(guò)向MAX194的CONV引腳發(fā)低脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后MAX194的EOC引腳變?yōu)楦唠娖?，可通過(guò)檢測(cè)EOC引腳是否變?yōu)榈碗娖絹?lái)判斷A/D轉(zhuǎn)換的完成。

3、MAX194數(shù)據(jù)讀取部分：首先置低MAX194的CS片選引腳，將無(wú)效數(shù)據(jù)0XFF送至SPI_SPDR以啟動(dòng)SPI總線，通過(guò)判SPIF位的置位來(lái)判斷SPI總線傳輸是否完成，讀取SPI_SPDR后，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的第一個(gè)字節(jié)(BIT13-BIT6)并調(diào)整數(shù)據(jù)；將無(wú)效數(shù)據(jù)0XFF再送至SPI_SPDR，然后再啟動(dòng)SPI總線，仍通過(guò)判SPIF位的置位來(lái)判斷SPI總線傳輸?shù)耐瓿汕闆r，讀取SPI_SPDR后，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的第二個(gè)字節(jié)(BIT13-BIT6)并調(diào)整數(shù)據(jù)，最后將MAX194 的14位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在16位無(wú)符號(hào)變量rcv_data中。

#include “LPC2104.H”// 調(diào)用LPC2104寄存器頭文件
#define MAX194_CS 0x00000100 // P0.8口為MAX194的片選和信號(hào)
#define MAX194_EOC 0x00000100 // P0.9口為MAX194的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)
#define MAX194_UP 0x00000400 //P0.10口為MAX194的三態(tài)選擇信號(hào)
#define MAX194_CONV 0x00000800 //P0.10口為MAX194的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)
int main（void）
{ uint16 rcv_data; //存儲(chǔ)A/D 轉(zhuǎn)換后的14位數(shù)據(jù)的變量
PINSEL0 = 0x00005500; //設(shè)置SPI管腳連接
PINSEL1 = 0x00000000;
IODIR = MAX194_CS｜MAX194_UP|MAX194_CONV;// 設(shè)置P0.8,P0.10,P0.11為輸出
……
MSpiIni( ); // 初始化SPI接口
MSendData(0xFF,rcv_data); // 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換病讀取數(shù)據(jù)
……
}
void MSpiIni(void)
{ SPI_SPCCR = 0x0B; // 設(shè)置SPI時(shí)鐘分頻, SPI時(shí)鐘為1 MHz
SPI_SPCR = 0x20; // 設(shè)置SPI接口模式，MSTR=1，CPOL=0，CPHA=0，LSBF=0
IOCLR = MAX194_UP; //關(guān)斷輸入
}
uint8 MSendData(uint8 s_data,uint16 r_data)
{ uint32 temp;
IOSET=Max194_UP; // 打開(kāi)輸入
IOCLR = MAX194_CONV; // 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換
Delay(10); // 延時(shí) 10us
IOSET = MAX194_CONV;
do
{ temp=IOPIN;}
while(tempMAX194_EOC) ; // 轉(zhuǎn)換結(jié)束
IOCLR = MAX194_CS;// 片選
SPI_SPDR = s_data; // 發(fā)送數(shù)據(jù)0xFF
while( 0==(SPI_SPSR0x80) ); // 等待SPIF置位，即等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
r_data= (uint16)SPI_SPDR; //讀取第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)
r_data=6; //調(diào)整數(shù)據(jù)
SPI_SPDR = s_data; // 發(fā)送數(shù)據(jù)0xFF
while( 0==(SPI_SPSR0x80) ); // 等待SPIF置位，即等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
r_data= r_data|(SPI_SPDR>>2); //讀取第二個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)并調(diào)整
IOSET = MAX194_CS;
IOCLR = MAX194_UP; //關(guān)斷輸入
}

4 結(jié)束語(yǔ)

在使用MAX194中應(yīng)盡可能把數(shù)字地和模擬地分開(kāi)。如果模擬電源和數(shù)字電源來(lái)自同一個(gè)電源，那么用一低值電阻(10 Ω)將數(shù)字電源和模擬電源隔離。MAX194內(nèi)部的高速比較器對(duì)VDDA和VSSA的高頻噪聲很敏感，應(yīng)該用0.1 μF與1 μF或10 μF的并聯(lián)電容將電源旁路接到模擬地。

用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片有很多，新品更是層出不窮，數(shù)據(jù)采集的速度和精度等性能也在不斷提高，在應(yīng)用中不但應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用性價(jià)比較高的A/D轉(zhuǎn)換芯片，而且應(yīng)選用高性價(jià)比的處理器(如本文所選LPC2104)，這樣才能提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。