基于A(yíng)DS7870的多路數據采集系統串行接口設計

1 引言
1個(gè)完整的數據采集器件可包含多路模擬開(kāi)關(guān)、可編程增益放大器、A/D轉換器和1個(gè)或多個(gè)數字I/0通道。所有這些功能都是通過(guò)1個(gè)串行數據口進(jìn)行控制的。德州儀器公司的ADS7870就是這樣的器件。這款低成本的ADS7870集成了12位、48 kS/s(SAR)的逐次逼近型模/數轉換器、4通道差分/8通道單端的多路復用器(multiplexer(MUX))、可編程增益放大器(PGA)、高精度參考電源、內部參考緩沖放大器、片上時(shí)鐘發(fā)生器和用于控制及數據傳輸的串行接口，為數據采集系統提供了良好的數據轉換與處理能力。

2 ADS7870的結構及特點(diǎn)
ADS7870是一個(gè)基于SAR的12位精度的數據采集系統，即DAS。與其他同類(lèi)產(chǎn)品相比，基于SAR架構能以更低的功耗、簡(jiǎn)單的多通道掃描及內建的采樣保持提供極低的延時(shí)，從而提供了高精度、通用的單片DAS。如圖1所示是其內部結構組成原理圖。表l為ADS7870的引腳及功能定義。
ADS7870中的PCA可提供高輸入阻抗、卓越的增益精度、良好的共模抑制及極低的噪聲。對于普通信號而言，在信號源與ADC輸入之間不需要外部放大或阻抗緩沖。PGA的失調電壓可自動(dòng)歸零，可提供卓越的長(cháng)期直流穩定性。增益為l、2、4、5、8、10、16及20 V/V的增益可使125 mV的低信號產(chǎn)生數字輸出滿(mǎn)量程。正常工作時(shí)功耗為8.5 mW，待機模式下的功耗僅為5 mW。
ADS7870有1個(gè)內置參考源，用于對溫度的初始精度與穩定性進(jìn)行微調。漂移一般為10-5/℃。內部參考緩沖放大器可用于內部或外部參考。

3 數據采集系統的工作原理
3.1 ADS7870的模/數轉換器
ADS7870集成了12位的逐次逼近(SAR)型模/數轉換器，其輸出為二進(jìn)制補碼形式，并且可以通過(guò)串行接口來(lái)讀取(最高有效位或最低有效位先行均可)，在輸入多路復用器配置為差分輸入時(shí)，模/數轉換函數為：

在輸入多路復用器配置為單端輸入時(shí)，模/數轉換函數為

模/數轉換周期為48個(gè)DCLK(分頻時(shí)鐘)，其中，PGA的工作周期為36個(gè)DCLK，完成包括輸入信號獲取、PGA自動(dòng)歸零、電平位移及輸入信號放大等過(guò)程。SAR占用剩余的12個(gè)DCLK。
有4種方法可以啟動(dòng)一個(gè)模/數轉換周期：發(fā)送1個(gè)直接模式命令；對寄存器4(增益/多路復用寄存器)進(jìn)行寫(xiě)操作，置CNV位為l；對寄存器5(數字I/O狀態(tài)寄存器)進(jìn)行寫(xiě)操作，置CNV位為l；指定CONVERT引腳為邏輯高電平――在CCLK的第二個(gè)有效沿開(kāi)始一個(gè)新的模/數轉換周期。
3.2 ADS7870的串行工作模式
圖2所示是ADS7870的串行工作模式接口電路。ADS7870的串行工作模式有兩種：直接模式和寄存器模式，這兩種模式由指令字節的D7位來(lái)區別。ADS7870串行接口的工作基于指令字節，該指令字節的后面跟隨由它本身決定的動(dòng)作。這個(gè)8位指令字節由時(shí)鐘輸入DIN端輸入，二種類(lèi)型的指令字節可以寫(xiě)入ADS7870，由指令字節的D7位決定，這二個(gè)指令字節代表了兩種工作模式：直接模式(D7=1)和寄存器模式(D7=0)。

直接模式是通過(guò)對ADS7870寫(xiě)入1個(gè)單獨的8位指令字節(D7=1)來(lái)啟動(dòng)一次模數轉換。寫(xiě)入的直接模式命令可以設置多路復用器的配置、選擇PGA的增益并啟動(dòng)一次轉換周期。直接模式的指令結構見(jiàn)表2，D7=l表示直接模式；D6-D4用于控制PGA的增益；D3-DO用于輸入通道選擇。圖3示出直接模式下啟動(dòng)一次轉換操作的時(shí)序圖。

寄存器模式(指令字節的D7=0)是對ADS7870的一個(gè)寄存器發(fā)出讀或寫(xiě)的操作指令，該指令含有對下一個(gè)讀寫(xiě)操作的寄存器的地址，確定串行通信是以8位還是16位的字長(cháng)形式進(jìn)行，并決定下一個(gè)操作是從這個(gè)被尋址的寄存器讀出還是寫(xiě)入。寄存器模式的指令結構為D7=0表示寄存器模式；D6(R/W)決定是讀出還是寫(xiě)入，為l表示讀，為0表示寫(xiě)；D5(16/8)決定字長(cháng)，為l表示16位，為0表示8位；D4-DO表示要進(jìn)行讀或寫(xiě)操作的寄存器的地址。

4 數據采集系統的串行接口
4.1 ADS7870串行接口的硬件連接
ADS7870可以通過(guò)數字串行接口與微處理機及其他外部電路進(jìn)行通信，ADS7870與MC68HCll型微處理器的接口原理如圖4所示。ADS7870的串行接口主要有4個(gè)引腳：SCLK為串行位時(shí)鐘，DIN為串行位數據輸入，DOUT為串行位數據輸出，CS為串行位片選信號。

4.2 ADS7870的串行軟接口
圖5所示是ADS7870輸入通道數據處理程序框圖，ADS7870與MC68HCll的串行軟接口部分程序如下：

(1)ADS7870的接口初始化程序
INIt_ADS PSHX
PSHA

5 結束語(yǔ)
本文介紹了ADS7870型低功耗數據采集器件的特點(diǎn)及工作原理，討論了由ADS7870與MC68HCll型嵌入式系統器件組成的多路數據采集系統串行接口的設計。ADS7870提供了完整的信號處理與轉換的設計方法，是低功耗控制系統、智能傳感器應用及通用儀表等領(lǐng)域的理想選擇。