基于AD7705的32通道模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計

在檢測技術(shù)與應(yīng)用、DCS的I/O板卡以及信號傳輸?shù)仍S多工業(yè)生產(chǎn)過程中都需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，這一過程必須先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。目前A/D轉(zhuǎn)換芯片種類非常多，有的價格高且設(shè)計復(fù)雜，有的轉(zhuǎn)換精度低滿足不了要求。為此，挑選了高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705，該芯片轉(zhuǎn)換精度高、價格低，滿足多種應(yīng)用。本文設(shè)計了以單片機(jī)ATmega16為控制核心，以AD7705為前端采集芯片，以CPLD芯片EPM3064為邏輯開關(guān)陣列的32通道模擬量采集系統(tǒng)。給出了相應(yīng)的硬件電路、驅(qū)動程序以及應(yīng)用軟件，指出了AD7705在實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意的一些問題。

1.A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7705

AD7705具有兩個模擬輸入通道，利用Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。模擬調(diào)制器具有增益可編程功能，片內(nèi)設(shè)有數(shù)字濾波器、處理調(diào)制器的輸出信號，通過片內(nèi)控制器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點和輸出更新速率。是用于智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品，其串行接口可配置為3線方式。增益值、信號極性以及更新速率的選擇都可通過串行接口由軟件來設(shè)置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。

2.嵌入式單片機(jī)

ATmega16ATmega16是Atmel公司生產(chǎn)的8位嵌入式單片機(jī)，它是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。特點為：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1K字SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，3個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，1個可編程串行USART，1個SPI串行端口等，硬件資源非常豐富。

3.采集系統(tǒng)的設(shè)計

采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成在功能上主要包括線性電源電路、AD7705外圍電路、ATmega16外圍電路和通道選擇電路。

3.1線性電源電路

本電路（圖1）電壓為+5V和+3.3V。使用電源芯片78L05、Z33等，D1、D2為5V穩(wěn)壓管，D8、D9為3.3V穩(wěn)壓管。C14、C17用于濾除高頻雜波，C15、C16用于保證輸出電壓平坦，外部供電為+12V。

圖1 線性電源電路

3.2AD7705外圍電路

AD7705的外圍電路如圖2所示。時鐘頻率設(shè)計為2.4576MHz，晶振Y1兩端需各接一20pF電容到地以保證時鐘頻率的精準(zhǔn)。電源電壓VDD為+5V。AN1+與AN1-，AN2+與AN2-分別接模擬輸入信號。芯片REF192為AD公司生產(chǎn)的精密基準(zhǔn)電壓源，為AD7705提供2.5V基準(zhǔn)電壓，其輸出引腳6到地之間需并接0.1μF和10μF的電容以保證其輸出電壓平坦。

圖2 AD7705外圍電路原理圖

AD7705與單片機(jī)Atmega16接口電路為片選端CS—PD4、復(fù)位端RESET—PD5、邏輯輸出端DRRY—PB3、串行數(shù)據(jù)輸入端DIN—PB5、串行數(shù)據(jù)輸出端DOUT—PB6和串行時鐘SCLK—PB7。

3.3ATmega16外圍電路

ATmega16（圖3）的供電電壓VCC為+5V，時鐘頻率8MHz。PB5為串行外設(shè)接口SPI的主機(jī)輸出端，PB6為主機(jī)輸入端，PB7為SPI時鐘。PB3、PD4、PD5用作普通的數(shù)字接口。AVCC為模擬電源，需經(jīng)LC網(wǎng)絡(luò)接至數(shù)字電源VCC，L1為10μH，C11為100nF，LC網(wǎng)絡(luò)用于抑制噪聲、提高抗干擾能力。該電路控制AD7705以完成數(shù)據(jù)的采集，主要是利用其SPI接口對AD7705進(jìn)行各種初始配置，控制A/D轉(zhuǎn)換并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖3 ATmega16外圍電路原理圖

3.4通道選擇電路

該電路在ATmega16的程序控制下工作，AT-mega16的控制信號通過PA4～PA0以完成32個通道模擬的模擬量采集。以高度集成CPLD芯片EPM3064為解碼電路，制作一個5/32解碼器，用VHDL語言編寫而成，其供電電壓3.3V，輸入信號PA4～PA0和PD7，輸出信號為TD0～TD31。EPM3064是基于EEPROM的CMOS工藝CPLD，其有64個宏單元，100管腳TQFP封裝有66個用戶I/O管腳，可滿足許多應(yīng)用需要。

PD7作為5/32解碼器的使能信號，用于選擇采集通道0～31。DS2Y-S為信號繼電器，其引腳8、9接AD7705模擬信號1的AN1+與AN1-，引腳4、13接通道0的模擬輸入信號AI0+與AI0-。其導(dǎo)通斷開通過PNP三極管Q1驅(qū)動，控制信號為TD0，二極管D1起續(xù)流作用，保護(hù)電路正常工作同時具有抑制尖峰干擾作用。通道1～31的選擇電路類似，同理設(shè)計模擬信號輸入AI1～AI31的選擇電路。PD7作為使能信號，低電平有效，總共需要32片信號繼電器，本質(zhì)上通道選擇電路（圖4）是由CPLD芯片EPM3064和信號繼電器構(gòu)建的邏輯陣列開關(guān)。

圖4 通道選擇電路

4.軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括3個子模塊：SPI初始化模塊、AD7705驅(qū)動模塊、定時器模塊。工作過程：首先通過ATmega16的SPI接口驅(qū)動AD7705，完成AD7705通道設(shè)置、時鐘設(shè)置、更新速率以及校準(zhǔn)模式等，然后啟動ATmega16的定時器，在定時器中斷函數(shù)中查詢AD7705的狀態(tài)，如轉(zhuǎn)換完成則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，否則繼續(xù)等待直到轉(zhuǎn)換完成，如此不斷讀出所需的轉(zhuǎn)換結(jié)果。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程框圖

4.1SPI初始化模塊

對ATmega16的SPI接口進(jìn)行配置：

void spi_init（void）

{

DDRB|=（1《

DDRB&=～（1《

PORTB|=（1《

SPCR=（1《

}

4.2AD7705驅(qū)動模塊

該模塊程序完成對AD7705的配置任務(wù)，需要注意的是讀寫寄存器之前必須先選擇要操作的寄存器。

向AD7705寫入1字節(jié)函數(shù)，入口參數(shù)data為需寫入的字節(jié)數(shù)據(jù)：

voidwr_7705（unsignedchardata）

{

SPDR=data;//啟動數(shù)據(jù)傳輸

while（！（SPSR&（1《《SPIF）））//等待傳輸

結(jié)束;

}

讀出AD7705數(shù)據(jù)函數(shù)，返回值為讀出的2字節(jié)數(shù)據(jù)：

unsignedintrd_7705（void）

{

unsignedinttemp;//定義臨時變量

wr_7705（0x38）;//選擇讀數(shù)據(jù)寄存器，1通道

SPDR=1;//啟動數(shù)據(jù)傳輸

while（?。⊿PSR&（1《《SPIF）））//等待傳輸結(jié)

束

{

;

}

temp=SPDR《《8;//讀取高字節(jié)

SPDR=1;//啟動數(shù)據(jù)傳輸

while（！（SPSR&（1《《SPIF）））//等待傳輸結(jié)束

{

;

}

temp|=SPDR;//讀取低字節(jié)

return（temp）;

}

AD7705初始化函數(shù)：

voidinit_7705（void）

{

wr_7705（0x20）;//選擇時鐘寄存器，下一操作是寫

wr_7705（0x00）;//20Hz的更新速率

wr_7705（0x10）;//選擇設(shè)置寄存器，下一操作是寫

wr_7705（0x44）;//自校準(zhǔn)模式，增益為1，單極性

}

4.3定時器模塊

利用定時器1按一定的時間間隔讀取AD7705的轉(zhuǎn)換結(jié)果。讀取數(shù)據(jù)之前必須確定數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)，有兩種不同的方式：第1種是查詢DRDY引腳，如果處于低電平，表示已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成，可以讀取;第2種是查詢通信寄存器中的DRDY位，如果是0表示可以讀取數(shù)據(jù)：

定時器1初始化函數(shù)：

定時器1溢出中斷函數(shù)：

結(jié)語

本文總結(jié)了基于AD7705的32通道模擬量采集系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)過試驗證明，該采集系統(tǒng)不僅減少儀表設(shè)計調(diào)試時間，而且結(jié)合測量儀器可以構(gòu)建靈活的測量系統(tǒng)，節(jié)約儀器購置成本，提高工作效率。
責(zé)任編輯人：CC