16位A/D轉(zhuǎn)換器CS5521在雙色紅外信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

摘 要： 針對(duì)紅外信號(hào)傳感器輸出信號(hào)較弱且變化范圍大的特點(diǎn)，介紹了一種基于16位A/D 轉(zhuǎn)換器CS5521的可編程紅外信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞： CS5521A/D轉(zhuǎn)換器 可編程增益放大器 紅外信號(hào)檢測(cè)

雙色紅外探測(cè)是一種高抗干擾的熱源探測(cè)。由于熱源溫度高低、傳播距離遠(yuǎn)近以及傳播媒介等的不同，紅外性能亦不同，所以紅外傳感器輸出信號(hào)較弱且變化范圍大(0.1μA～1mA)。因此，要求信號(hào)檢測(cè)電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪及大范圍增益可調(diào)等性能。這類(lèi)電路一般由電流—電壓轉(zhuǎn)換模塊、可編程增益放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成。若將各部分用不同芯片來(lái)設(shè)計(jì)，電路不僅功耗大、體積大，而且參數(shù)調(diào)整和性能補(bǔ)償都較復(fù)雜。如果選用美國(guó)Crystal公司推出的CS5521 A/D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)紅外信號(hào)檢測(cè)電路，可克服上述缺點(diǎn)。

１ CS5521簡(jiǎn)介

CS5521芯片為２０腳PDIP或SSOP封裝。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由多路復(fù)用器、20倍斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，可編程增益放大器(PGA)、帶有數(shù)字濾波器的16位Δ－Σ A/D轉(zhuǎn)換器及片上校驗(yàn)電路(Calibration)和寄存器構(gòu)成。

１．１ 主要性能

·16位A/D轉(zhuǎn)換精度。

·串行接口。

·兩個(gè)差分輸入物理通道。每個(gè)通道可自校驗(yàn)和系統(tǒng)校驗(yàn)。可設(shè)定四個(gè)邏輯通道，可多通道自動(dòng)循環(huán)轉(zhuǎn)換。

·6種緩沖單／雙極輸入范圍：25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V。

·轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)FIFO(先入先出)，最高輸出頻率為303Hz（此時(shí)接100kHz晶振）。

·單電源＋5V模擬供電，＋5V或＋3V數(shù)字供電。

·可按如圖2(a)設(shè)計(jì)成自身提供負(fù)電源，在NBV端產(chǎn)生－1.8V～－2.5V的電壓，從而使片上測(cè)量放大器能夠測(cè)量≤±100mV 的以地為參考的雙極性信號(hào)。

·功耗：5.5mW

１．２ 片內(nèi)寄存器

·8位只寫(xiě)指令(Command)寄存器用于存放供片內(nèi)微處理器使用的指令。指令最高位為‘0’時(shí)，為讀寫(xiě)其它寄存器指令；最高位為‘1’時(shí)，為啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換指令或校驗(yàn)指令。

·24位可讀寫(xiě)配置(Configure)寄存器用于設(shè)置斬波頻率、邏輯通道數(shù)、多通道循環(huán)轉(zhuǎn)換、負(fù)電源及軟件復(fù)位。

·24位×2可讀寫(xiě)通道設(shè)置(Channel Setup)寄存器，用于設(shè)置各邏輯通道的輸入范圍、循環(huán)轉(zhuǎn)換時(shí)的輸出率及與其對(duì)應(yīng)的物理通道號(hào)設(shè)置時(shí)用到配置寄存器中的邏輯通道數(shù)，所以此寄存器應(yīng)在配置寄存器設(shè)置之后設(shè)置。

·只讀先入先出數(shù)據(jù)輸出(fifo Data Output)寄存器組讀數(shù)時(shí)先送8個(gè)脈沖用于清除SDO，后送24×N(循環(huán)邏輯通道數(shù))個(gè)脈沖用于讀數(shù)。24位數(shù)據(jù)的前16位是轉(zhuǎn)換結(jié)果，后8位包含物理通道、振蕩探測(cè)及輸入界限檢驗(yàn)等信息。

·24位可讀寫(xiě)增益(Gain)寄存器，每個(gè)物理通道各一個(gè)。用于存放校驗(yàn)所得的增益值。

·24位可讀寫(xiě)偏置(Offset)寄存器，每個(gè)物理通道各一個(gè)，用于存放校驗(yàn)所得的偏置值。

２ CS5521在紅外信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

雙色紅外檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖３所示，被測(cè)物體發(fā)出的紅外波，經(jīng)光學(xué)元件匯聚到紅外探測(cè)器，紅外探測(cè)器將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由檢測(cè)電路處理得到目標(biāo)的紅外信息。

２．１硬件電路

檢測(cè)電路如圖4所示。圖中，雙色紅外探測(cè)器(inGaSn,Si)是電流源，兩路信號(hào)電流分別經(jīng)串接電阻R1、R2(或串接R1′、R2′)形成電壓差，它們作為CS5521兩通道的差分輸入信號(hào)。電容C1、C2與電阻并聯(lián)以抑制高頻干擾。將ＮＢＶ端接地，在使用25mV、55mV、100mV 三個(gè)量程時(shí)，輸入共模電壓要在1.85V～2.65V之間，由LM385－2.5產(chǎn)生2.5V電壓來(lái)滿(mǎn)足。

考慮到所測(cè)紅外信號(hào)強(qiáng)弱差異，僅靠CS5521片內(nèi)放大器增益調(diào)節(jié)不能滿(mǎn)足故加開(kāi)關(guān)MAX4580來(lái)改變串接電阻大小。信號(hào)電流≥5μA 時(shí)，僅R1、R2接入；信號(hào)電流＜5μA時(shí)，由89C2051 的P1.3腳控制接入R1′、R2′來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)。可通過(guò)CS5521自校驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自調(diào)零和增益設(shè)定。若要測(cè)每個(gè)通道信號(hào)的精確值，除2.5V量程外都需要進(jìn)行系統(tǒng)校驗(yàn)，否則可能產(chǎn)生多達(dá)20％的增益誤差。系統(tǒng)校驗(yàn)時(shí)，外部需要提供如圖2(b)、圖2(c)所示的精確基準(zhǔn)電路。校驗(yàn)結(jié)束后，將各量程的偏置值和增益值存入2051的程序中，在轉(zhuǎn)換量程時(shí)將相應(yīng)值送入各自寄存器即可。若僅需信號(hào)的相對(duì)值，可進(jìn)行在線(xiàn)自校驗(yàn)。整個(gè)電路由20腳的89C2051來(lái)控制。／CS端始終有效，SCLK為串行時(shí)鐘輸入端，SDI為CS5521串行命令／數(shù)據(jù)輸入端，SDO為CS5521數(shù)據(jù)輸出端空閑時(shí)為高電平，高電平向低電平轉(zhuǎn)變用來(lái)指示芯片A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可取或校驗(yàn)結(jié)束。

２．２ 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊、數(shù)值處理模塊。因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換控制和數(shù)值處理與具體應(yīng)用緊密相關(guān)，限于篇幅在此不作重點(diǎn)介紹。

初始化分為上電自動(dòng)復(fù)位初始化、軟件復(fù)位初始化和端口復(fù)位初始化。CS5521在上電區(qū)間會(huì)自動(dòng)復(fù)位到一定狀態(tài)。是否已正確復(fù)位可通過(guò)讀取Configure寄存器的數(shù)據(jù)并測(cè)試其是否為000040H來(lái)判斷（也可僅測(cè)試Configure 寄存器的RV位是否有效來(lái)判斷，筆者認(rèn)為，為可靠起見(jiàn)，應(yīng)比較所有內(nèi)容）?？蓪onfigure 寄存器的RS位置″1″來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。此時(shí)正確復(fù)位的標(biāo)志是Configure 寄存器的內(nèi)容為0000C0H。注意：軟件復(fù)位后應(yīng)將RS 位清零。端口復(fù)位強(qiáng)制CS5521進(jìn)入命令接收狀態(tài)，可用于錯(cuò)誤處理。它由微處理器向CS5521連續(xù)發(fā)送15字節(jié)″11111111″，加一字節(jié)″11111110″來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如下是軟件復(fù)位程序片段：

LCALL INITPORT;端口復(fù)位，進(jìn)入命令狀態(tài)。

MOV 20H,＃00000011B;＃00000011B為寫(xiě)

Configure寄存器命令字。

LCALL WCOMM; 發(fā)送寫(xiě)命令字,20H、21H、22H為命令／數(shù)據(jù) 緩存寄存器組。

MOV 20H,＃00110000B;置Configure寄存器內(nèi)容。

MOV 21H,＃00010000B;

MOV 22H,＃10000000B;22H單元第7bit為RS位，現(xiàn)為有效。

LCALL W24 ；寫(xiě)24位Configure寄存器。

LCALL DELAY1 ；延時(shí)＞復(fù)位時(shí)間(2006個(gè)時(shí)鐘周期)。

MOV 20H,＃00001011B;＃00001011B為讀Configure寄存器命令字。

LCALL WCOMM ；發(fā)送讀命令字。

LCALL RD24 ；讀24位Configure寄存器。

LCALL ACOMP ；與標(biāo)志字比較，相等則置標(biāo)志位C＝″1″；否則 C＝″0″。

JNC ERROR1; 若復(fù)位錯(cuò)，則轉(zhuǎn)錯(cuò)誤處理，可在端口復(fù)位后再軟件復(fù)位。

MOV 20H,＃00000011;＃00000011為寫(xiě)Configure寄存器命令字。

LCALL WCOMM ；發(fā)送寫(xiě)命令字。

MOV 20H,＃00110000B;置Configure寄存器內(nèi)容。

MOV 21H,＃00010000B;

MOV 22H,＃10000000B;22H單元第7bit為RS 位，現(xiàn)為無(wú)效。

LCALL W24; 寫(xiě)24位Configure寄存器，清除RS位。

如下是啟動(dòng)單通道、非循環(huán)A/D轉(zhuǎn)換及讀數(shù)片段：

LCALL INITPORT ；強(qiáng)制進(jìn)入命令狀態(tài)。

MOV 20H,＃10000000B ；啟動(dòng)0邏輯通道轉(zhuǎn)換命令。

LCALL WCOMM ；寫(xiě)命令。

LCALL DELAY2 ；延時(shí)＞轉(zhuǎn)換時(shí)間。

JB P1.2,ERROR2;正確轉(zhuǎn)換后,SDO(P1.2)變?yōu)榈停駝t轉(zhuǎn)錯(cuò)誤處理。

LCALL RD8; 發(fā)8個(gè)脈沖以清除SDO 標(biāo)志。

LCALL RD24; 讀24位數(shù)據(jù)。

采用上述方法設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路，當(dāng)紅外探測(cè)器輸出電流為0.1μA～1mA時(shí)，差分輸入電壓為10mV～2V。能夠完成雙色紅外信號(hào)的檢測(cè)。

基于CS5521設(shè)計(jì)的雙色紅外信號(hào)檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、設(shè)置靈活、工作可靠。CS5521可在速度要求不高、信號(hào)變化大的弱信號(hào)檢測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用。