高精度微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、高精度微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用對(duì)于水下弱磁信號(hào)的檢測(cè)和處理，需要一個(gè)能延續(xù)工作幾個(gè)月甚至一年以上的采樣精度很高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，這就要求該系統(tǒng)必需具有高精度微功耗的功能。本文所介紹的就是能滿足這一要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在筆者的工作中已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)采納ads1212作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)具有高精度、寬動(dòng)態(tài)特性的-型a/d芯片。下面先對(duì)該芯片的主要特點(diǎn)和使用舉行簡(jiǎn)要介紹，隨后介紹ads1212與微功耗16f84a的接口及程序設(shè)計(jì)。1 ads1212/b簡(jiǎn)介1.1 特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)ads1212特點(diǎn)如下：（1）-型a/d轉(zhuǎn)換器。（2）采樣數(shù)據(jù)輸出速率在10hz時(shí)有效辨別率可達(dá)

2、到20位，采樣數(shù)據(jù)輸出速率在1000hz時(shí)有效辨別率可達(dá)16位。（3）最低功耗為1.4mw。（4）差分輸入。（5）具有可編程的增益。（6）spi兼容ssi接口。（7）可編程設(shè)置采樣速率。（8）可用法內(nèi)部或外部的參考。（9）具有芯片自校準(zhǔn)功能。ads1212芯片為18腳dip或soic封裝，ads1213含有一個(gè)四通道多路開關(guān)，為24腳dip或soic封裝或28腳ssop封裝。其結(jié)構(gòu)1所示，其內(nèi)部由可編程增益放大器（pga）、二階-調(diào)制器、調(diào)制控制單元、可編程數(shù)字、微控制器單元、寄存器組（命令寄存器、指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寄存器）、一個(gè)串行接口。一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)內(nèi)部2.5v電壓基準(zhǔn)等

3、組成。1.2 主要性能可編程增益放大器的增益（g）可設(shè)為1、2、4、8、16，而加速因子（tmr）也可設(shè)為1、2、4、8、16，它們之間的關(guān)系為乘積應(yīng)16，如表1所示。表1 增益與加速因子的關(guān)系采樣精度同增益和加速因子的設(shè)置都有關(guān)系，詳細(xì)如表2所示。這里需要指出的是，不能同時(shí)追求采樣速度和采樣精度，惟獨(dú)選取合適的速度和精度才干體現(xiàn)出該芯片的優(yōu)勢(shì)。表2 采樣精度與增益和加速因子的關(guān)系設(shè)g=1，fxin=1mhz（fxin是外部晶體頻率）1.3 主要功能寄存器ads1212/13內(nèi)部有5種功能寄存器。其中命令寄存器（insr）和指令寄存器（cmr）用于控制轉(zhuǎn)換器的操作。數(shù)據(jù)輸出寄存器（dor）用于

4、存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器（ocr）和滿量程寄存器（fcr）用于對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果舉行校準(zhǔn)。命令寄存器insr是一個(gè)8位寄存器，對(duì)ads1211/10的每一步操作都是從它開頭的。詳細(xì)格式如下：r/w是讀寫控制位。“1”為讀操作，“0”為寫操作。mb1mb0是欲讀寫的字節(jié)數(shù)。“00” “11”對(duì)應(yīng)“1” “4”。a3a0是欲讀寫寄存器的地址。指令寄存器cmr是一個(gè)32位寄存器，通過對(duì)它的操作可以設(shè)置ads1211/10的各種工作模式，格式如表3所示。bias是參考電壓輸出開關(guān)位，“0”為關(guān)，“1”為開。refo是基準(zhǔn)電壓輸入開關(guān)位，“1”為用法內(nèi)部基準(zhǔn)，“0”為用法外部基準(zhǔn)。df是樣數(shù)據(jù)輸出形式

5、位，“0”為被碼形式輸出，“1”為原碼形式輸出。u/b是數(shù)據(jù)極性輸出，“0”為雙極性數(shù)據(jù)輸出，“1”單極性數(shù)據(jù)輸出。bd是讀字節(jié)的挨次位，“0”為從高字節(jié)到低字節(jié)，“1”為從低字節(jié)到高字節(jié)。msb是位的挨次位，“0”為從高位到低位，“1”為從低位到高位。sdl是數(shù)據(jù)輸出線挑選位，“0”為用“sdio”輸出，“1”為用“sdot”輸出。drdy是只讀位，“0”表示輸出數(shù)據(jù)預(yù)備好，“1”表示輸出數(shù)據(jù)沒有預(yù)備好。dsync是只寫位，同drdy共用一位，“0”表示不轉(zhuǎn)變調(diào)制器的計(jì)數(shù)器值，“1”表示將調(diào)制器的計(jì)數(shù)器值復(fù)位到0。md2md0是模式設(shè)置位，用于設(shè)備芯片的各種工作模式。g2g0是增益設(shè)置位，用

6、于對(duì)輸入信號(hào)設(shè)置增益。ch1ch0是通道挑選位，只適用于ads1213，而ads1212惟獨(dú)一個(gè)通道。sf2sf0是加速因子挑選位。sr12dr0是抽取速率挑選位（decimation ratio）。這里需要指出的是，以前的資料對(duì)它的計(jì)算公式均有誤，現(xiàn)更正如下：fdata=fxim·tmr/512·(decimation ratio+1)數(shù)據(jù)輸出寄存器dor為24位寄存器，用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。惟獨(dú)在drdy信號(hào)為低的狀況下，dor中的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)。假如在1/fdata-12×（1/fxin）時(shí)光內(nèi)沒有讀出dor中的數(shù)據(jù)，那么它將會(huì)被新的數(shù)據(jù)所籠罩。dor中

7、輸出的數(shù)據(jù)格式可以用補(bǔ)碼形式表示，如“ffffffh000000h7fffffh”，表示“負(fù)最大量程0正最大量程”；也可以用原碼形式表示，如“000000h800000hffffffh”，表示“負(fù)最大量程0正最大量程”，這可用設(shè)置cmr3的df位來實(shí)現(xiàn)。零點(diǎn)校準(zhǔn)寄存器（ocr）和滿量程寄存器（fcr）用于對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果舉行標(biāo)準(zhǔn)。它們都是24位寄存器，可以在初始化中對(duì)其寫入，以便用于校準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采納pic16f84a作為處理機(jī)，它是公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器是1k×14e2prom，可重復(fù)電擦寫；13個(gè)可自立編程的雙向i/o引腳，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；含片內(nèi)自振式；與51

8、系列單片機(jī)相比具有同等晶振頻率下速度快的特點(diǎn)，而且功耗極低，5v電壓4mhz晶振時(shí)小于2ma，在3v電壓32khz晶振時(shí)小于15a。系統(tǒng)采納max198作為多路開關(guān)，并配有max233，可以同計(jì)算機(jī)串口相連，將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至計(jì)算機(jī)以便觀測(cè)。為了降低功耗，本系統(tǒng)用法的是外部基準(zhǔn)電壓源，即用adr291作為2.5v基準(zhǔn)電壓輸出，用ref196作為3.3v參考電壓輸入。這樣可以使ads1212的功耗降低約3ma。2.1 電源電路因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采樣精度高，所以電源電路的噪聲必需特殊小。本系統(tǒng)采納max666作+5v電壓的穩(wěn)壓芯片，max664作-5v電壓的穩(wěn)壓芯片。按照ads1212的特別要求設(shè)計(jì)的電

9、源電路2所示。2.2 信號(hào)輸入電路信號(hào)輸入電路3所示。輸入信號(hào)通過多路開關(guān)挑選，然后經(jīng)過尾隨器輸出，再通過網(wǎng)絡(luò)輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。為了使系統(tǒng)的噪聲對(duì)采樣的影響達(dá)到最小，ads1212差分輸入的負(fù)端接到2.5v基準(zhǔn)電壓處。這是由于ads1212的輸入端的輸入電壓不能大于電源電壓，且不能小于零。輸入信號(hào)在-5v+5v內(nèi)變幻時(shí)，通過計(jì)算可知ainp處的電壓范圍為1.25v3.75v，2.5v對(duì)應(yīng)的是零點(diǎn)，而ainn接2.5v電壓基準(zhǔn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)地信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換。2.3 ads1212與pic16f84a的接口電路ads1212與pic16f84a的接口采納四線制通信方式，4所示。ads1

10、212的drdy與pic16f84的rb0相連，即采納外部中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)結(jié)果。采樣數(shù)據(jù)由sdout輸出，指令數(shù)據(jù)由sdio輸入，sclk作為同步時(shí)鐘，同時(shí)pic16f84a還留有兩根口線與max233相連，在需要的時(shí)候可完成與計(jì)算機(jī)通訊。按照采集需要，本系統(tǒng)將ads1212設(shè)置為從動(dòng)方式，（即slave方式），片選端接地，而同步信號(hào)輸入端dsync接高電平。本系統(tǒng)是一個(gè)水下弱磁信號(hào)的測(cè)量處理裝置。軟件主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊、a/d轉(zhuǎn)換控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。因?yàn)閍/d轉(zhuǎn)換控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊與詳細(xì)應(yīng)用疏遠(yuǎn)相關(guān)，即于篇幅在此不作重點(diǎn)介紹。這里只介茹系統(tǒng)復(fù)位實(shí)始化模塊。2.4 程序設(shè)計(jì)

11、系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊包括單片機(jī)端口初始化、ads1212工作狀態(tài)初始化等。筆者認(rèn)為對(duì)于ads1212的初始化完成后，應(yīng)讀出指令寄存器cmr中的一些字節(jié)，與寫入的數(shù)值舉行比較，以確認(rèn)是否初始化正確，本系統(tǒng)中就是讀出cmr3舉行比較的。這里需要指出的是，不能用讀出cr2舉行比較，由于ads1212的工作模式已經(jīng)轉(zhuǎn)變，比較絕對(duì)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。如下是軟件復(fù)位程序片段：start：call portinit ；調(diào)用端口初始化子程序movlw 64h ；wr_cmr=64hmovwf insrmovlw 44h ；cmr3=22h（00100010b）雙極性信號(hào)輸入movwf cmr3movlw 14h ；cmr2=28h（00101000b，自校準(zhǔn)模式，g=4）movwf cmr2movlw 1ah ；cmr1=58h（加速因子tmr=4）movwf cmr1movlw 96h ；cmr0=69h(dr=1869h，data rate=10hz)movwf cmr0call spiscwmovlw 0e4h ；讀cmr寄存器movwf insrcall spiscrd ；通信是否正常movf cmr3，0xorlw 44hbtfss 3，2goto start ；通信不正常，返回繼續(xù)call psconvt ；舉行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采納ads1212加pic1