LM12H458高集成度的數據采集系統DAS芯片的應用
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1 概述
LM12H458是高集成度的數據采集系統?DAS?芯片，它將采樣保持、A/D轉換集成在一塊芯片內，從而大大減少了外圍電路的設計。其8路模擬信號輸入既可作為單端輸入，又可兩兩組成差分輸入。器件內部提供的一個(gè)2.5V參考電壓、8×48bit指令RAM和32×16bit的FIFO大大減小了微處理器的負擔。LM12H458的工作電壓為3～5.5V，功耗小于34mW，待命模式下的功耗只有50μW。此外，LM12H458還有如下主要性能：
●有三種工作模式：分別為帶符號的13位模式、帶符號的9位模式和看門(mén)狗模式;
●有8個(gè)模擬信號輸入通道，模擬信號可單端輸入，也可差分輸入;
●內置采樣保持和2.5V參考電壓;
●內含32×16bit的FIFO;
●采樣時(shí)間和轉換速率可編程;
●具有自校準和診斷模式;
●帶有8位或16位數據總線(xiàn)。
2 引腳功能和功能說(shuō)明
LM12H458的引腳功能如表1所列。圖1為其內部功能框圖。LM12H458是一個(gè)多功能數據采集系統，其內部的電荷重分配ADC采用電容梯形網(wǎng)絡(luò )代替普通的電阻梯形網(wǎng)絡(luò )，并使用逐步逼近寄存器的DAC使VREF-和VREF+之間產(chǎn)生一個(gè)中間電壓，該電壓與輸入的采樣電壓相比較可產(chǎn)生數字輸出的每一位，中間電壓的個(gè)數和比較的次數對應于A(yíng)DC的分辨率，通過(guò)校準ADC中的電容網(wǎng)絡(luò )可校準數字輸出的每一位精度。LM12H458有兩種不同的校準模式：一種是補償偏移電壓或零誤差，在該模式下只測量一次偏移誤差，并依此建立修正系數;另一種為修正偏移誤差和ADC線(xiàn)性誤差，稱(chēng)為全校準。將該模式下的偏移誤差測量八次，并取平均值即可建立修正系數。上述兩種模式的修正系數被存貯在內部的偏移修正寄存器中。LM12H458的線(xiàn)性修正是通過(guò)修正內部DAC的失配電容獲得的，在LM12H458內部ROM中存有校準算法，可對每一個(gè)電容校準8次并取平均值，從而產(chǎn)生線(xiàn)性修正系數。一旦校準后，內部算術(shù)邏輯單元(ALU)即可使用偏移誤差修正系數和線(xiàn)性修正系數來(lái)修正每一次的轉換結果?？撮T(mén)狗模式用于監控單端輸入或差分輸入信號的幅值。每個(gè)采樣信號都有上下兩個(gè)門(mén)限，輸入信號高于或低于某一門(mén)限值都會(huì )產(chǎn)生中斷。
表1 LM12H458的腳符號及功能
| 引腳號 | 符 號 | 功 能 |
| 1，12 | VA+，VD+ | 模擬電源和數字電源 |
| 2～11，13～18 | D0～D15 | 雙向數據總線(xiàn)，總線(xiàn)寬度由BW決定。BW=1，總線(xiàn)寬度為8bit，BW=0，總線(xiàn)寬度16bit |
| 19 | RD | 讀信號輸入 |
| 20 | WR | 寫(xiě)信號輸入 |
| 21 | CS | 片選輸入 |
| 22 | WR | 地址鎖存，用于總線(xiàn)復用的系統中 |
| 23 | ALE | 外部時(shí)鐘輸入，頻率范圍為0.05MHz～10MHz |
| 24～28 | A0～A4 | 地址線(xiàn) |
| 29 | SYNC | 同步輸入/輸出，當配置寄存器的“I/O選擇”位清零時(shí)，SYNC為輸入；而當“I/O選擇”位置為1時(shí)，SYNC為輸出。 |
| 30 | BW | 總線(xiàn)寬度設定位，BW=1時(shí)，總線(xiàn)寬度為8bit，BW=0時(shí)，總線(xiàn)寬度為16bit |
| 31 | INT | 中斷輸出，低電平有效 |
| 32 | DMARQ | DMA請求輸出，高電平有效 |
| 33 | GND | 接地 |
| 34～41 | IN0～IN7 | 模擬信號輸入通道 |
| 42 | VREF- | 負參考電壓輸入，電壓范圍為0～VREF- |
| 43 | VREF+ | 正參考電壓輸入，電壓范圍0～VA+ |
| 44 | VREFOUT | 內部2.5V參考電壓輸出 |
LM12H458是一個(gè)多功能數據采集系統，內部有28個(gè)16bit的寄存器，各個(gè)寄存器的功能如下：
配置寄存器是DAS的控制中心，可用于控制序列器的啟動(dòng)和停止、復位RAM指針和標志、設置待命狀態(tài)、校準偏移和線(xiàn)性誤差、選擇RAM區等。
指令RAM分為三個(gè)區：指令區、門(mén)限1區、門(mén)限2區。每一條指令(48bit=3X16bit)分散在三個(gè)16比特字寬的RAM區中，三個(gè)區的選擇可由配置寄存器2bit的RAM指針來(lái)控制。指令區可設置通道的選擇、工作模式、采樣時(shí)間和循環(huán)位。其它兩個(gè)區用于設置上下門(mén)限值。DAS可從指令0連續執行所有設置的指令，執行的最后一條指令的循環(huán)位為1時(shí)，再返回到指令0。指令執行期間，微處理器不能訪(fǎng)問(wèn)指令RAM，只有處理器終止指令循環(huán)后才可訪(fǎng)問(wèn)。
FIFO為只讀寄存器，可用于存儲轉換結果。
中斷使能寄存器可使用戶(hù)激活8個(gè)中斷源，該寄存器的高字節與中斷1、2有關(guān)。
圖2 LM12H458與80C51的接口電路 點(diǎn)擊放大
中斷狀態(tài)寄存器和門(mén)限狀態(tài)寄存器用于指示DAS中斷源和輸入信號是否超過(guò)上門(mén)限或下門(mén)限。
定時(shí)寄存器用于設置指令執行前的等待時(shí)間。而指令寄存器的bit9可使能或禁止插入等待時(shí)間。
LM12H458有8個(gè)中斷源，各中斷具有同等的優(yōu)先級別，中斷使能寄存器可使能或禁止相應的中斷，當發(fā)生中斷時(shí)，中斷狀態(tài)寄存器相應的位置1。各個(gè)中斷對應的功能如下：
●INT0：模擬輸入信號在規定的門(mén)限值以外產(chǎn)生中斷。
●INT1：序列發(fā)生器執行到某條指令時(shí)，該指令地址等于中斷使能寄存器中bit8～bit10設定的值時(shí)，產(chǎn)生中斷。
●INT2：A/D轉換的結果保存在FIFO，當FIFO中轉換結果的個(gè)數等于中斷使能寄存器比特11～15中設定的值時(shí)，產(chǎn)生中斷。
●INT3：完成單次采樣自動(dòng)校準后產(chǎn)生中斷。
●INT4：完成一次完整的自校準后產(chǎn)生中斷。
●INT5：執行時(shí)，指令暫停位為1時(shí)產(chǎn)生中斷。
●INT6：電源指示中斷，當芯片供電電壓小于4V時(shí)，產(chǎn)生中斷。
●INT7：在從等待模式返回10ms后產(chǎn)生中斷。
圖3 編程流程圖 點(diǎn)擊放大
3 應用
3.1 硬件電路設計
LM12H458靈活的總線(xiàn)接口簡(jiǎn)化了與多種微處理器的接口，它既可與8位處理器相連，又可方便地與16位微處理器相連。圖2為AT89C51與DAS的接口電路圖。該電路采用全地址譯碼方式來(lái)產(chǎn)生DAS的片選信號CS，其DAS映射的地址空間為0000-001F，數據總線(xiàn)寬度為8bit。圖中的74HC373用于鎖存低8位地址，而8bit幅度比較器則可用來(lái)對高8位地址進(jìn)行譯碼，通過(guò)比較地址與地址范圍所選擇的輸入邏輯可產(chǎn)生U5(74HC138)的選通信號，74HC138的Y0可作為DAS的片選信號。DAS的INT端口用于驅動(dòng)AT80C51的中斷INT0，同時(shí)它還允許DAS請求中斷服務(wù)。
3.2 軟件編程
LM12H458雖然應用靈活、廣泛，但基本的工作流程不變，圖3為其典型的編程流程。在處理器初始化后，應向DAS寫(xiě)入合適的指令以初始化DAS，以便設置采樣時(shí)間、工作模式、通道選擇等。完成一次全校準需要4944個(gè)時(shí)鐘周期，若設置中斷使能，校準后應產(chǎn)生中斷以通知微處理器。全校準會(huì )影響DAS的內部標志和指針，從而影響指令的執行。因此校準后必須復位。將配置寄存器的bit0設置為1可啟動(dòng)序列器。流程圖中的p表示用戶(hù)定義的不同工作模式。圖3(a)為DAS的初始化和序列器的啟動(dòng)流程，圖3(b)為中斷服務(wù)例程。當進(jìn)入中斷服務(wù)后，配置寄存器的bit0應清零以停止A/D轉換，然后處理中斷事務(wù)。
4 結論
LM12H458數據采集系統芯片功能強大、應用靈活，可廣泛用于數據記錄、測量?jì)x器、慣性制導、過(guò)程控制、能源消耗管理等方面。由于篇幅所限，本文僅作簡(jiǎn)單介紹，有關(guān)LM12H458的詳細技術(shù)資料可在National Semiconductor的網(wǎng)站上獲得。筆者已將LM12H458用于PI網(wǎng)絡(luò )石英晶體元件的測試系統中。使用證明：LM12H458的轉換精度很高，而且工作穩定可靠。
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