串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS1110及其在AT89C51單片機中的應用

　　1 引言

　　AT89C51單片機系統(tǒng)經(jīng)常使用A／D轉(zhuǎn)換器。雖然并行A／D轉(zhuǎn)換器速度高、轉(zhuǎn)換通道多，但其價格高，占用單片機接口資源比串行A／D轉(zhuǎn)換器多。工業(yè)檢測控制及智能化儀器儀表中經(jīng)常采用串行A／D轉(zhuǎn)換器。ADS1110是一種精密、可連續(xù)自校準的串行A／D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，其串行接口為I2C總線。AT89C51單片機通過軟件模擬I2C總線實現(xiàn)與ADS1110的連接。

　　2 ADS1110的特點與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　2.1 ADS1110的特點

　　完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和小型SOT23-6封裝；片內(nèi)基準電壓：精度2.048 V+0.05％；片內(nèi)可編程增益放大器PGA；片內(nèi)振蕩器；16位分辨率；可編程的轉(zhuǎn)換速率15次／秒～240次／秒；I2C總線接口(8個有效地址)；電源電壓2.7 V～5.5 V；低電流消耗240 μA。

　　2.2 ADS1110的引腳功能

　　ADS1110串行A／D轉(zhuǎn)換器采用6引腳貼片封裝，其引腳排列如圖1所示。VDD：電源端，通常接+5V；GND：模擬地和數(shù)字地；VIN+、VIN-：采樣模擬信號輸入端，其范圍為2.048 V～2.048 V；SCL：I2C總線時鐘線；SDA：I2C總線數(shù)據(jù)線。

 　　2.3 ADS1110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　ADS1110是由帶有可調(diào)增益的△-∑型轉(zhuǎn)換器內(nèi)核、2.048 V的電壓基準、時鐘振蕩器和I2C總線接口組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　ADS1110的A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)核是由差分開關(guān)電容△-∑調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器組成。調(diào)節(jié)器測量正模擬輸入和負模擬輸入的壓差，并將其與基準電壓相比較。數(shù)字濾波器接收高速數(shù)據(jù)流并輸出代碼，該代碼是一個與輸入電壓成比例的數(shù)字，即A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

　　ADS1110片內(nèi)電壓基準是2.048 V。ADS1110只能采用內(nèi)部電壓基準該基準，不能測量，也不用于外部電路。ADS1110片內(nèi)集成時鐘振蕩器用于驅(qū)動△-∑調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器。ADS1110的信號輸入端設(shè)有可編程增益放大器PGA，其輸入阻抗在差分輸入時的典型值為2.8 MΩ。

　　3 ADS1110的使用

　　3.1 I2C總線接口

　　ADS1110通過I2C總線(內(nèi)部集成電路)接口通信，AT89C51單片機的2個I／O接口最多可掛接8個ADS1110，單片機對ADS1110的識別通過I2C地址實現(xiàn)。ADS1110只能作為從機。

　　ADS1110的I2C地址是1001aaa，其中aaa是出廠時默認設(shè)置。ADS1110有8種不同類型，每種類型都有不同的I2C地址。封裝上，ADS1110的每種類型都以EDx為標識，其中x表示地址變量。

　　3.2寄存器

　　ADS1110含有輸出寄存器和配置寄存器，可通過I2C端口進行訪問。輸出寄存器存儲A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，而配置寄存器用于設(shè)置ADS1110的工作方式，數(shù)據(jù)速率和可編程增益放大器，也可用于查詢器件狀態(tài)。

　　3.3 ADS1110的讀寫

　　3.3.1讀操作

　　若從ADS1110中讀取輸出寄存器和配置寄存器的內(nèi)容，需對ADS1110尋址。從ADS1110中讀取3個字節(jié)，前2個字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第3個字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容。讀操作時，只讀前2個字節(jié)而不讀第3個字節(jié)。ADS1110的讀操作時序如圖3所示。

 　　3.3.2寫操作

　　為了對配置寄存器寫操作，要對ADS1110尋址，并向配置寄存器寫入1個字節(jié)，但不能向輸出寄存器寫人字節(jié)。其寫操作時序如圖4所示。

　　4 ADS1110在AT89C51系統(tǒng)應用

　　4.1硬件設(shè)計

　　由于AT89C51單片機沒有I2C總線接口，可通過軟件模擬實現(xiàn)與I2C總線器件的連接。具體方法是將單片機的I／O接口連接至I2C的數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL。通過軟件控制時鐘和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)靈活性強。

　　圖5所示是數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，采集工業(yè)現(xiàn)場的4路模擬信號并輪詢顯示。采用4個ADS1110作為A／D轉(zhuǎn)換器，地址為ED0～ED3。具有I2C總線接口的EEPROM AT24C16作為存儲器。本系統(tǒng)有4位LED數(shù)碼顯示管和4個參數(shù)設(shè)定按鍵。采集數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波、16進制→工程值轉(zhuǎn)換后，送至數(shù)碼管輪詢顯示。ADS1110和AT24C16的I2C接口連ADSl110數(shù)據(jù)線SDA至單片機的P1.0，時鐘線SCL連接單片機的P1.1，上拉電阻阻值選10 kΩ。

　　4.2軟件設(shè)計

　　按照硬件電路，編寫A／D轉(zhuǎn)換子程序為ADS0，其中嵌套調(diào)用了START，為起始命令子程序，F(xiàn)SDZ1為向ADS1110發(fā)送單個字節(jié)命令的子程序，ADREAD是讀取輸出寄存器和配置寄存器的子程序，STOP是停止命令子程序。ADS0只對地址為ED0的ADS1110讀數(shù)，如果要讀取其他ADS1110，只需更改地址即可。系統(tǒng)中ADS1110的工作方式選用默認設(shè)置，即配置寄存器內(nèi)容為#8CH，所以程序未向配置寄存器寫入數(shù)據(jù)。程序代碼如下：
 

　　5 結(jié)束語

　　ADS1110是一款高性價比具有I2C總線接口的串行A／D轉(zhuǎn)換器。ADS1110已在單片機系統(tǒng)中應用，并用于現(xiàn)場。實踐證明，ADS1110和單片機組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，占用I／O端口少、功耗低，適用無電源場合。但需注意的是，因I2C總線為串行擴展總線，數(shù)據(jù)采集時不能用于實時速度要求較高的場合。