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數據采集技術已廣泛應用于信號處理、通信、過程控制、遙感遙測等領域，各種高科技技術的發展對數據采集系統的精度進一步加強。本文所介紹的就是一種高精度的數據采集系統，它在筆者的工作中已經得到了充分的應用和試驗。 該系統采用的∑一△型A／D轉換器ADS1212它具有分辨率高，線性度好，抗干擾能力強(對噪聲的抑制能力不亞于雙積分ADC)，成本低等不可多得的優點，恰好能滿足這種要求。 單片機采用SST公司8位微處理器FLAsH-Flex51系列成員SST89E564RD，它采用先進的Super-FLASH CMOS半導體技術設計和制造，是采用8051的指令集，并與標準的8051控制器管腳兼容，而且具有SPI端口，接口簡單，易于編程控制。 1 系統硬件設計 1．1 ADS1212的結構及特點 ADS1212芯片內部由可編程增益放大器(PGA)、二階∑-△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)和1個串行接口，1個時鐘電路，1個內部2．5 V電壓基準等組成。 ADS1212是高精度、寬動態特性的∑-△型模擬／數字轉換器。它的差動輸入端可以直接與傳感器或微小的電壓信號相連。其內部的∑-△結構可確保它的寬動態特性和24位的分辨率。 由于采用了低噪聲的輸入放大器，可以在轉換速度為10 Hz時獲得23位的有效分辨率；借助于其內部獨特的調制器加速操作模式，在轉換速度為1 kHz時仍可達到20位的有效分辨率。該轉換器動態特性的大大提高主要依賴于其前級的低噪聲程控放大器，其放大倍數可從1～16進行設定，以2倍步長增加。該A／D轉換器都有一個靈活的同步串行接口，它與SPI兼容，并且可以提供雙線控制模式。該A／D轉換器為單一+5 V供電，有內／外參考電壓和內部自校準系統。 ADS1212主要用于工業過程控制、儀器儀表、色譜分析、靈巧傳感器、便攜式儀表、稱重儀器、壓力傳感器、高分辨率測量的場合。 1．2 SST單片機的結構及特點 系統采用SST89E564RD作為處理機，它是SST公司8位微處理器FLASHFlex51系列的成員，是采用先進的SupeRFLASH CMOS半導體技術設計和制造，是采用8051的指令集，并與標準的8051控制器管腳兼容。 器件帶有72 KB的片內FLASH E2PROM存儲器，使用了SST公司專利的CMOS Super_FLASH E2PROM技術，存儲器被分成兩塊獨立的程序存儲器，第一塊(BLCK0)占用64 KB的內部程序存儲器空間，第二塊(BLOCK0)占用8 KB的內部程序存儲器空間。8 KB的第二塊FLASH可以映射到64 KB空間的低地址，還可以被隱藏和當成類似E2PROM的獨立的數據存儲器。 1．3 SPI接口的特點 SST單片機的串行外設接口(Serial PeripheraI In-terface，SPI)總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備，以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置 FLASHRAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A／D轉換器和MCU等。該接口一般使用4條線：串行時鐘線(SCK)、主機輸入／從機輸出數據線 MISO、主機輸出／從機輸入數據線MOST和低電平有效的從機選擇線SS。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數據傳輸，在主器件的移位脈沖下，數據按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，總體來說數據傳輸速度比I2C總線要快。 SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件，其接口包括以下四種信號： (1)MOSI為主器件數據輸出，從器件數據輸入； (2)MISO為主器件數據輸入，從器件數據輸出； (3)SCLK為時鐘信號，由主器件產生； (4)SS為從器件使能信號，由主器件控制。 1．4 ADS1212與SST89E564RD的接口電路 ADS1212與SST89E564RD的接口采用四線制通信方式，如圖1所示。ADS1212的DRDY與 SST89E564RD的INT1相連，即采用外部中斷方式讀取采樣數據結果。采樣數據由SDOUT輸出，命令數據由SDIO輸入，SCLK作為同步時鐘，同時SST89E564RD還留有2根口線與MAX232相連，在需要的時候可完成與計算機通信。根據采集需要，本系統將ADS1212設置為從動方式(即Slave方式)，同步信號輸入端DSYNC接高電平。 2 系統軟件設計 該系統軟件采用單片機高級語言C51編寫，C51是一種專為MCS-51系列單片機設計的高效率C語言編譯器。它具有編程方便易用的特點，能夠很方便地操作硬件接口地址，C51編譯器具有極高的編譯效率，編譯代碼可與匯編語言相媲美，而編程效率比匯編語言高很多，采用高級語言C51編程可以提高源程序的可讀性，便于以后的改進和升級。 軟件部分包括主程序、數據采集子程序、串行口通信子程序。主程序的主要功能為系統初始化以及查詢各軟件標志，決定系統不同工作模式，執行各功能模塊。 2．1 單片機SPI接口程序 單片機SPI接口程序主要包括SPI接口初始化，以及SPI數據輸入／輸出程序，SPI接口初始化主要是針對SPI控制寄存器(SPCR)進行相應設置的，SPI控制寄存器(SPCR)格式如下： SPIE是SPI中斷使能位，當SPIE和ES同時置為“1”，則SPI中斷使能； SPE是SPI使能位，“0”為不使能，“1”為使能； DORD是數據傳輸的順序位，“0”為從高位到低位，“1”為從低位到高位； MSTR是主／從選擇位，“0”為從方式，“1”為主方式； CPOL是時鐘極性位，“0”為時鐘高電平有效，“1”為時鐘低電平有效； CPHA是時鐘相位控制位，“0”為時鐘上升沿左觸發，“1”為時鐘下降沿左觸發； SPR0，SPR1是SPI時鐘頻率選擇位，控制SPI時鐘為單片機時鐘的幾分頻，如表1所示： SPI接口初始化程序如下所示： 2．2 A／D數據采集程序 ADS1212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ADS1212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ADS1212的各種工作模式，格式如下： 采樣精度同增益和加速因子的設置都有關系，具體如表3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。 注：G=1，fXIN=1 MHz(fXIN是外部晶體振蕩囂頻率) 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。它們都是24位寄存器，可以在初始化中對其寫入，以便用于校準輸出數據。 數據采集程序的流程圖如圖2所示。 如下是程序的部分片段： 數據輸出寄存器DOR為24位寄存器，用于存放最新的轉換結果。只有在DRDY信號為低時，DOR中的數據才有效。如果在(1／fDATA)-12 (1／fXIN)時間內沒有讀出DOR中的數據，則它將會被新的數據所覆蓋。DOR中輸出的數據格式可以用補碼形式表示，如 “FFFFFFH～000000H～7FFFFFH”，表示“負最大量程～0～正最大量程”；也可以用原碼形式表示，如 “000000H～800000H～FFFFFFH”，表示“負最大量程～0～正最大量程”，這可用設置CMR3的DF位來實現。 3 結 語 采用ADS1212與SST89E564RD完成的數據采集處理系統采集速度快，精度高，還能將數據及時通過串口發送給上位機程序，且外圍電路簡單。因此，能用于較為復雜的系統開發，非常適用于工業控制、自動測試、儀器儀表、遠程通信等領域的數據采集與傳輸。 |
