高精度微功耗數據采集系統設計與應用

對于水下弱磁信號的檢測和處理，需要一個能連續工作幾個月甚至一年以上的采樣精度很高的數據采集處理系統，這就要求該系統必須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據采集系統，它在筆者的工作中已經得到了充分的應用和試驗。該系統采用ADS1212作為模/數轉換器，它是一個具有高精度、寬動態特性的Δ-∑型A/D芯片。下面先對該芯片的主要特點和用法進行簡要介紹，隨后介紹ADS1212與微功耗單片機PIC16F84A的接口電路及程序設計。

1 ADS1212/B簡介

1.1 特點及結構

ADS1212特點如下：

(1)Δ-∑型A/D轉換器。

(2)采樣數據輸出速率在10Hz時有效分辨率可達到20位，采樣數據輸出速率在1000Hz時有效分辨率可達16位。

(3)最低功耗為1.4mW。

(4)差分輸入。

(5)具有可編程的增益放大器。

(6)SPI兼容SSI接口。

(7)可編程設置采樣速率。

(8)可使用內部或外部的參考電壓。

(9)具有芯片自校準功能。

ADS1212芯片為18腳DIP或SOIC封裝，ADS1213含有一個四通道多

路開關，為24腳DIP或SOIC封裝或28腳SSOP封裝。其結構如圖1所示，其內部由可編程增益放大器(PGA)、二階Δ-∑調制器、調制控制單元、可編程數字濾波器、微控制器單元、寄存器組(指令寄存器、命令寄存器、數據寄存器、校準數據寄存器)、一個串行接口。一個時鐘電路和一個內部2.5V電壓基準等組成。

1.2 主要性能

可編程增益放大器的增益(G)可設為1、2、4、8、16，而加速因子(TMR)也可設為1、2、4、8、16，它們之間的關系為乘積應≤16，如表1所示。

表1 增益與加速因子的關系

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采樣精度同增益和加速因子的設置都有關系，具體如表2所示。這里需要指出的是，不能同時追求采樣速度和采樣精度，只有選取合適的速度和精度才能體現出該芯片的優勢。

表2 采樣精度與增益和加速因子的關系設G=1，fXIN=1MHz(fXIN是外部晶體振蕩器頻率)

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1.3 主要功能寄存器

ADS1212/13內部有5種功能寄存器。其中指令寄存器(INSR)和命令寄存器(CMR)用于控制轉換器的操作。數據輸出寄存器(DOR)用于存放最新的轉換結果。零點校準寄存器(OCR)和滿量程寄存器(FCR)用于對轉換結果進行校準。

指令寄存器INSR是一個8位寄存器，對ADS1211/10的每一步操作都是從它開始的。具體格式如下：

R/W是讀寫控制位。1為讀操作，0為寫操作。

MB1MB0是欲讀寫的字節數。00 ～11對應1 ～4。

A3～A0是欲讀寫寄存器的地址。

命令寄存器CMR是一個32位寄存器，通過對它的操作可以設置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位，0為關，1為開。 2.4 程序設計

REFO是基準電壓輸入開關位，1為使用內部基準，0為使用外部基準。

DF是樣數據輸出形式位，0為被碼形式輸出，1為原碼形式輸出。

U/B是數據極性輸出，0為雙極性數據輸出，1單極性數據輸出。

BD是讀字節的順序位，0為從高字節到低字節，1為從低字節到高字節。

MSB是位的順序位，0為從高位到低位，1為從低位到高位。

SDL是數據輸出線選擇位，0為用SDIO輸出，1為用SDOT輸出。

DRDY是只讀位，0表示輸出數據準備好，1表示輸出數據沒有準備好。

DSYNC是只寫位，同DRDY共用一位，0表示不改變調制器的計數器值，1表示將調制器的計數器值復位到0。

MD2～MD0是模式設置位，用于設備芯片的各種工作模式。

G2～G0是增益設置位，用于對輸入信號設置增益。

CH1CH0是通道選擇位，只適用于ADS1213，而ADS1212只有一個通道。

SF2～SF0是加速因子選擇位。

SR12～DR0是抽取速率選擇位(Decimation Ratio)。這里需要指出的是，以前的資料對它的計算公式均有誤，現更正如下：

fDATA=fXIM.

W 14H ;CMR2=28H(00101000B，自校準模式，G=4)

MOVWF CMR2

MOVLW 1AH ;CMR1=58H(加速因子TMR=4)

MOVWF CMR1

MOVLW 96H ;CMR0=69H(DR=1869H，DATA RATE=10Hz)

MOVWF CMR0

CALL SPISCW

MOVLW 0E4H ;讀CMR寄存器

MOVWF INSR

CALL SPISCRD ;通信是否正常

MOVF CMR3，0

XORLW 44H

BTFSS 3，2

GOTO START ;通信不正常，返回繼續

CALL PSCONVT ;進行數據轉換

采用ADS1212加PIC16F84A及微功耗基準ADR291、REF196，實現了高精度微功耗數據采集系統，系統工作電流為1.6～1.9mA，采樣精度可達20位。

信號輸入電路采用差分輸入，其負端接2.5V基準電壓，有效降低了系統噪聲對采樣結果的影響。

PIC16F84A具有微功耗的特點，但缺少通訊接口，通過軟件成功開發了標準異步串型通訊接口。

該系統已成功應用于水下弱磁信號的檢測與處理。