16位A/D轉換器CS5521在雙色紅外信號檢測中的應用

摘 要： 針對紅外信號傳感器輸出信號較弱且變化范圍大的特點(diǎn)，介紹了一種基于16位A/D 轉換器CS5521的可編程紅外信號檢測電路的設計方法。

關(guān)鍵詞： CS5521A/D轉換器 可編程增益放大器 紅外信號檢測

雙色紅外探測是一種高抗干擾的熱源探測。由于熱源溫度高低、傳播距離遠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較弱且變化范圍大(0.1μA～1mA)。因此，要求信號檢測電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪及大范圍增益可調等性能。這類(lèi)電路一般由電流—電壓轉換模塊、可編程增益放大模塊和A/D轉換模塊組成。若將各部分用不同芯片來(lái)設計，電路不僅功耗大、體積大，而且參數調整和性能補償都較復雜。如果選用美國Crystal公司推出的CS5521 A/D轉換芯片，設計紅外信號檢測電路，可克服上述缺點(diǎn)。

１ CS5521簡(jiǎn)介

CS5521芯片為２０腳PDIP或SSOP封裝。其結構如圖1所示，由多路復用器、20倍斬波穩定測量放大器，可編程增益放大器(PGA)、帶有數字濾波器的16位Δ－Σ A/D轉換器及片上校驗電路(Calibration)和寄存器構成。

１．１ 主要性能

·16位A/D轉換精度。

·串行接口。

·兩個(gè)差分輸入物理通道。每個(gè)通道可自校驗和系統校驗?？稍O定四個(gè)邏輯通道，可多通道自動(dòng)循環(huán)轉換。

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

·轉換數據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數字供電。

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

·功耗：5.5mW

１．２ 片內寄存器

·8位只寫(xiě)指令(Command)寄存器用于存放供片內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轉換指令或校驗指令。

·24位可讀寫(xiě)配置(Configure)寄存器用于設置斬波頻率、邏輯通道數、多通道循環(huán)轉換、負電源及軟件復位。

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

·只讀先入先出數據輸出(fifo Data Output)寄存器組讀數時(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)個(gè)脈沖用于讀數。24位數據的前16位是轉換結果，后8位包含物理通道、振蕩探測及輸入界限檢驗等信息。

·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)，用于存放校驗所得的偏置值。

２ CS5521在紅外信號檢測中的應用

雙色紅外檢測系統原理如圖３所示，被測物體發(fā)出的紅外波，經(jīng)光學(xué)元件匯聚到紅外探測器，紅外探測器將紅外光信號轉換成電信號，再由檢測電路處理得到目標的紅外信息。

２．１硬件電路

檢測電路如圖4所示。圖中，雙色紅外探測器(inGaSn,Si)是電流源，兩路信號電流分別經(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。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。

考慮到所測紅外信號強弱差異，僅靠CS5521片內放大器增益調節不能滿(mǎn)足故加開(kāi)關(guān)MAX4580來(lái)改變串接電阻大小。信號電流≥5μA 時(shí)，僅R1、R2接入；信號電流＜5μA時(shí)，由89C2051 的P1.3腳控制接入R1′、R2′來(lái)檢測微弱信號?？赏ㄟ^(guò)CS5521自校驗來(lái)實(shí)現自調零和增益設定。若要測每個(gè)通道信號的精確值，除2.5V量程外都需要進(jìn)行系統校驗，否則可能產(chǎn)生多達20％的增益誤差。系統校驗時(shí)，外部需要提供如圖2(b)、圖2(c)所示的精確基準電路。校驗結束后，將各量程的偏置值和增益值存入2051的程序中，在轉換量程時(shí)將相應值送入各自寄存器即可。若僅需信號的相對值，可進(jìn)行在線(xiàn)自校驗。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／數據輸入端，SDO為CS5521數據輸出端空閑時(shí)為高電平，高電平向低電平轉變用來(lái)指示芯片A/D轉換數據可取或校驗結束。

２．２ 軟件實(shí)現

軟件主要包括系統復位初始化模塊、A/D轉換控制模塊、數值處理模塊。因為A/D轉換控制和數值處理與具體應用緊密相關(guān)，限于篇幅在此不作重點(diǎn)介紹。

初始化分為上電自動(dòng)復位初始化、軟件復位初始化和端口復位初始化。CS5521在上電區間會(huì )自動(dòng)復位到一定狀態(tài)。是否已正確復位可通過(guò)讀取Configure寄存器的數據并測試其是否為000040H來(lái)判斷（也可僅測試Configure 寄存器的RV位是否有效來(lái)判斷，筆者認為，為可靠起見(jiàn)，應比較所有內容）?？蓪onfigure 寄存器的RS位置″1″來(lái)實(shí)現軟件復位。此時(shí)正確復位的標志是Configure 寄存器的內容為0000C0H。注意：軟件復位后應將RS 位清零。端口復位強制CS5521進(jìn)入命令接收狀態(tài)，可用于錯誤處理。它由微處理器向CS5521連續發(fā)送15字節″11111111″，加一字節″11111110″來(lái)實(shí)現。

如下是軟件復位程序片段：

LCALL INITPORT;端口復位，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／數據 緩存寄存器組。

MOV 20H,＃00110000B;置Configure寄存器內容。

MOV 21H,＃00010000B;

MOV 22H,＃10000000B;22H單元第7bit為RS位，現為有效。

LCALL W24 ；寫(xiě)24位Configure寄存器。

LCALL DELAY1 ；延時(shí)＞復位時(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 ；與標志字比較，相等則置標志位C＝″1″；否則 C＝″0″。

JNC ERROR1; 若復位錯，則轉錯誤處理，可在端口復位后再軟件復位。

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寄存器內容。

MOV 21H,＃00010000B;

MOV 22H,＃10000000B;22H單元第7bit為RS 位，現為無(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轉換及讀數片段：

LCALL INITPORT ；強制進(jìn)入命令狀態(tài)。

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

LCALL WCOMM ；寫(xiě)命令。

LCALL DELAY2 ；延時(shí)＞轉換時(shí)間。

JB P1.2,ERROR2;正確轉換后,SDO(P1.2)變?yōu)榈?，否則轉錯誤處理。

LCALL RD8; 發(fā)8個(gè)脈沖以清除SDO 標志。

LCALL RD24; 讀24位數據。

采用上述方法設計的檢測電路，當紅外探測器輸出電流為0.1μA～1mA時(shí)，差分輸入電壓為10mV～2V。能夠完成雙色紅外信號的檢測。

基于CS5521設計的雙色紅外信號檢測電路結構簡(jiǎn)單、體積小、設置靈活、工作可靠。CS5521可在速度要求不高、信號變化大的弱信號檢測中獲得廣泛應用。