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對于水下弱磁信號的檢測和處理，需要一個能連續(xù)工作幾個月甚至一年以上的采樣精度很高的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，這就要求該系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在筆者的工作中已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用和試驗。該系統(tǒng)采用ADS1212作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一個具有高精度、寬動態(tài)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(shè)計。
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1 ADS1212/B簡介
1.1 特點及結(jié)構(gòu)
ADS1212特點如下：
（1）Δ-∑型A/D轉(zhuǎn)換器。
（2）采樣數(shù)據(jù)輸出速率在10Hz時有效分辨率可達到20位，采樣數(shù)據(jù)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(shè)置采樣速率。
（8）可使用內(nèi)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(guān)，為24腳DIP或SOIC封裝或28腳SSOP封裝。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部由可編程增益放大器（PGA）、二階Δ-∑調(diào)制器、調(diào)制控制單元、可編程數(shù)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(shù)據(jù)寄存器、校準數(shù)據(jù)寄存器）、一個串行接口。一個時鐘電路和一個內(nèi)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(shè)為1、2、4、8、16，而加速因子（TMR）也可設(shè)為1、2、4、8、16，它們之間的關(guān)系為乘積應(yīng)≤16，如表1所示。
表1 增益與加速因子的關(guān)系
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采樣精度同增益和加速因子的設(shè)置都有關(guān)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(xiàn)出該芯片的優(yōu)勢。
表2 采樣精度與增益和加速因子的關(guān)系設(shè)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(nèi)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(zhuǎn)換器的操作。數(shù)據(jù)輸出寄存器（DOR）用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。零點校準寄存器（OCR）和滿量程寄存器（FCR）用于對轉(zhuǎn)換結(jié)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：
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R/W是讀寫控制位?！?”為讀操作，“0”為寫操作。
MB1MB0是欲讀寫的字節(jié)數(shù)?！?0” ～“11”對應(yīng)“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(shè)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(guān)位，“0”為關(guān)，“1”為開。? ?
REFO是基準電壓輸入開關(guān)位，“1”為使用內(nèi)部基準，“0”為使用外部基準。
DF是樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)極性輸出，“0”為雙極性數(shù)據(jù)輸出，“1”單極性數(shù)據(jù)輸出。
BD是讀字節(jié)的順序位，“0”為從高字節(jié)到低字節(jié)，“1”為從低字節(jié)到高字節(jié)。
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)準備好，“1”表示輸出數(shù)據(jù)沒有準備好。
DSYNC是只寫位，同DRDY共用一位，“0”表示不改變調(diào)制器的計數(shù)器值，“1”表示將調(diào)制器的計數(shù)器值復(fù)位到0。
MD2～MD0是模式設(shè)置位，用于設(shè)備芯片的各種工作模式。
G2～G0是增益設(shè)置位，用于對輸入信號設(shè)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(xiàn)更正如下：
fDATA=fXIM·TMR/[512·(Decimation Ratio+1)]
數(shù)據(jù)輸出寄存器DOR為24位寄存器，用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。只有在DRDY信號為低的情況下，DOR中的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)。如果在1/fDATA-12×（1/fXIN）時間內(nèi)沒有讀出DOR中的數(shù)據(jù)，那么它將會被新的數(shù)據(jù)所覆蓋。DOR中輸出的數(shù)據(jù)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(shè)置CMR3的DF位來實現(xiàn)。
零點校準寄存器（OCR）和滿量程寄存器（FCR）用于對轉(zhuǎn)換結(jié)果進行標準。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(shù)據(jù)。
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2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)采用PIC16F84A作為處理機，它是Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機。內(nèi)部程序存儲器是1K×14E2PROM，可重復(fù)電擦寫；13個可獨立編程的雙向I/O引腳，驅(qū)動能力強；含片內(nèi)自振式看門狗；與51系列單片機相比具有同等晶振頻率下速度快的特點，而且功耗極低，5V電壓4MHz晶振時小于2mA，在3V電壓32kHz晶振時小于15μA。
系統(tǒng)采用MAX198作為多路開關(guān)，并配有MAX233，可以同計算機串口相連，將采樣數(shù)據(jù)實時發(fā)送至計算機以便觀測。為了降低功耗，本系統(tǒng)使用的是外部基準電壓源，即用ADR291作為2.5V基準電壓輸出，用REF196作為3.3V參考電壓輸入。這樣可以使ADS1212的功耗降低約3mA。
2.1 電源電路
由于本系統(tǒng)采樣精度高，所以電源電路的噪聲必須特別小。本系統(tǒng)采用MAX666作+5V電壓的穩(wěn)壓芯片，MAX664作-5V電壓的穩(wěn)壓芯片。根據(jù)ADS1212的特殊要求設(shè)計的電源電路如圖2所示。
2.2 信號輸入電路
信號輸入電路如圖3所示。輸入信號通過多路開關(guān)選擇，然后經(jīng)過跟隨器輸出，再通過電阻網(wǎng)絡(luò)輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。為了使系統(tǒng)的噪聲對采樣的影響達到最小，ADS1212差分輸入的負端接到2.5V基準電壓處。這是因為ADS1212的輸入端的輸入電壓不能大于電源電壓，且不能小于零。輸入信號在-5V～+5V內(nèi)變化時，通過計算可知AINP處的電壓范圍為1.25V～3.75V，2.5V對應(yīng)的是零點，而AINN接2.5V電壓基準，這樣就實現(xiàn)了對地信號的采樣轉(zhuǎn)換。
2.3 ADS1212與PIC16F84A的接口電路
ADS1212與PIC16F84A的接口采用四線制通信方式，如圖4所示。ADS1212的DRDY與PIC16F84的RB0相連，即采用外部中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)結(jié)果。采樣數(shù)據(jù)由SDOUT輸出，命令數(shù)據(jù)由SDIO輸入，SCLK作為同步時鐘，同時PIC16F84A還留有兩根口線與MAX233相連，在需要的時候可完成與計算機通訊。根據(jù)采集需要，本系統(tǒng)將ADS1212設(shè)置為從動方式，（即Slave方式），片選端接地，而同步信號輸入端DSYNC接高電平。
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本系統(tǒng)是一個水下弱磁信號的測量處理裝置。軟件主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。由于A/D轉(zhuǎn)換控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊與具體應(yīng)用密切相關(guān)，即于篇幅在此不作重點介紹。這里只介茹系統(tǒng)復(fù)位實始化模塊。
2.4 程序設(shè)計
系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊包括單片機端口初始化、ADS1212工作狀態(tài)初始化等。筆者認為對于ADS1212的初始化完成后，應(yīng)讀出命令寄存器CMR中的一些字節(jié)，與寫入的數(shù)值進行比較，以確認是否初始化正確，本系統(tǒng)中就是讀出CMR3進行比較的。這里需要指出的是，不能用讀出CR2進行比較，因為ADS1212的工作模式已經(jīng)改變，比較肯定會發(fā)生錯誤。如下是軟件復(fù)位程序片段：
START：CALL PORTINIT ；調(diào)用端口初始化子程序
MOVLW 64H ；WR_CMR=64H
MOVWF INSR
MOVLW 44H ；CMR3=22H（00100010B）雙極性信號輸入
MOVWF CMR3
MOVLW 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(xù)
CALL PSCONVT ；進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
采用ADS1212加PIC16F84A及微功耗基準ADR291、REF196，實現(xiàn)了高精度微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)噪聲對采樣結(jié)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(fā)了標準異步串型通訊接口。
該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于水下弱磁信號的檢測與處理。
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1 ADS1212/B簡介
1.1 特點及結(jié)構(gòu)
ADS1212特點如下：
（1）Δ-∑型A/D轉(zhuǎn)換器。
（2）采樣數(shù)據(jù)輸出速率在10Hz時有效分辨率可達到20位，采樣數(shù)據(jù)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(shè)置采樣速率。
（8）可使用內(nèi)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(guān)，為24腳DIP或SOIC封裝或28腳SSOP封裝。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其內(nèi)部由可編程增益放大器（PGA）、二階Δ-∑調(diào)制器、調(diào)制控制單元、可編程數(shù)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(shù)據(jù)寄存器、校準數(shù)據(jù)寄存器）、一個串行接口。一個時鐘電路和一個內(nèi)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(shè)為1、2、4、8、16，而加速因子（TMR）也可設(shè)為1、2、4、8、16，它們之間的關(guān)系為乘積應(yīng)≤16，如表1所示。
表1 增益與加速因子的關(guān)系
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采樣精度同增益和加速因子的設(shè)置都有關(guān)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(xiàn)出該芯片的優(yōu)勢。
表2 采樣精度與增益和加速因子的關(guān)系設(shè)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(nèi)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(zhuǎn)換器的操作。數(shù)據(jù)輸出寄存器（DOR）用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。零點校準寄存器（OCR）和滿量程寄存器（FCR）用于對轉(zhuǎn)換結(jié)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?！?”為讀操作，“0”為寫操作。
MB1MB0是欲讀寫的字節(jié)數(shù)?！?0” ～“11”對應(yīng)“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(shè)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(guān)位，“0”為關(guān)，“1”為開。? ?
REFO是基準電壓輸入開關(guān)位，“1”為使用內(nèi)部基準，“0”為使用外部基準。
DF是樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)極性輸出，“0”為雙極性數(shù)據(jù)輸出，“1”單極性數(shù)據(jù)輸出。
BD是讀字節(jié)的順序位，“0”為從高字節(jié)到低字節(jié)，“1”為從低字節(jié)到高字節(jié)。
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)準備好，“1”表示輸出數(shù)據(jù)沒有準備好。
DSYNC是只寫位，同DRDY共用一位，“0”表示不改變調(diào)制器的計數(shù)器值，“1”表示將調(diào)制器的計數(shù)器值復(fù)位到0。
MD2～MD0是模式設(shè)置位，用于設(shè)備芯片的各種工作模式。
G2～G0是增益設(shè)置位，用于對輸入信號設(shè)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(xiàn)更正如下：
fDATA=fXIM·TMR/[512·(Decimation Ratio+1)]
數(shù)據(jù)輸出寄存器DOR為24位寄存器，用于存放最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。只有在DRDY信號為低的情況下，DOR中的數(shù)據(jù)才是有效數(shù)據(jù)。如果在1/fDATA-12×（1/fXIN）時間內(nèi)沒有讀出DOR中的數(shù)據(jù)，那么它將會被新的數(shù)據(jù)所覆蓋。DOR中輸出的數(shù)據(jù)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(shè)置CMR3的DF位來實現(xiàn)。
零點校準寄存器（OCR）和滿量程寄存器（FCR）用于對轉(zhuǎn)換結(jié)果進行標準。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(shù)據(jù)。
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2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)采用PIC16F84A作為處理機，它是Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機。內(nèi)部程序存儲器是1K×14E2PROM，可重復(fù)電擦寫；13個可獨立編程的雙向I/O引腳，驅(qū)動能力強；含片內(nèi)自振式看門狗；與51系列單片機相比具有同等晶振頻率下速度快的特點，而且功耗極低，5V電壓4MHz晶振時小于2mA，在3V電壓32kHz晶振時小于15μA。
系統(tǒng)采用MAX198作為多路開關(guān)，并配有MAX233，可以同計算機串口相連，將采樣數(shù)據(jù)實時發(fā)送至計算機以便觀測。為了降低功耗，本系統(tǒng)使用的是外部基準電壓源，即用ADR291作為2.5V基準電壓輸出，用REF196作為3.3V參考電壓輸入。這樣可以使ADS1212的功耗降低約3mA。
2.1 電源電路
由于本系統(tǒng)采樣精度高，所以電源電路的噪聲必須特別小。本系統(tǒng)采用MAX666作+5V電壓的穩(wěn)壓芯片，MAX664作-5V電壓的穩(wěn)壓芯片。根據(jù)ADS1212的特殊要求設(shè)計的電源電路如圖2所示。
2.2 信號輸入電路
信號輸入電路如圖3所示。輸入信號通過多路開關(guān)選擇，然后經(jīng)過跟隨器輸出，再通過電阻網(wǎng)絡(luò)輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。為了使系統(tǒng)的噪聲對采樣的影響達到最小，ADS1212差分輸入的負端接到2.5V基準電壓處。這是因為ADS1212的輸入端的輸入電壓不能大于電源電壓，且不能小于零。輸入信號在-5V～+5V內(nèi)變化時，通過計算可知AINP處的電壓范圍為1.25V～3.75V，2.5V對應(yīng)的是零點，而AINN接2.5V電壓基準，這樣就實現(xiàn)了對地信號的采樣轉(zhuǎn)換。
2.3 ADS1212與PIC16F84A的接口電路
ADS1212與PIC16F84A的接口采用四線制通信方式，如圖4所示。ADS1212的DRDY與PIC16F84的RB0相連，即采用外部中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)結(jié)果。采樣數(shù)據(jù)由SDOUT輸出，命令數(shù)據(jù)由SDIO輸入，SCLK作為同步時鐘，同時PIC16F84A還留有兩根口線與MAX233相連，在需要的時候可完成與計算機通訊。根據(jù)采集需要，本系統(tǒng)將ADS1212設(shè)置為從動方式，（即Slave方式），片選端接地，而同步信號輸入端DSYNC接高電平。
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本系統(tǒng)是一個水下弱磁信號的測量處理裝置。軟件主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。由于A/D轉(zhuǎn)換控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊與具體應(yīng)用密切相關(guān)，即于篇幅在此不作重點介紹。這里只介茹系統(tǒng)復(fù)位實始化模塊。
2.4 程序設(shè)計
系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊包括單片機端口初始化、ADS1212工作狀態(tài)初始化等。筆者認為對于ADS1212的初始化完成后，應(yīng)讀出命令寄存器CMR中的一些字節(jié)，與寫入的數(shù)值進行比較，以確認是否初始化正確，本系統(tǒng)中就是讀出CMR3進行比較的。這里需要指出的是，不能用讀出CR2進行比較，因為ADS1212的工作模式已經(jīng)改變，比較肯定會發(fā)生錯誤。如下是軟件復(fù)位程序片段：
START：CALL PORTINIT ；調(diào)用端口初始化子程序
MOVLW 64H ；WR_CMR=64H
MOVWF INSR
MOVLW 44H ；CMR3=22H（00100010B）雙極性信號輸入
MOVWF CMR3
MOVLW 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(xù)
CALL PSCONVT ；進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
采用ADS1212加PIC16F84A及微功耗基準ADR291、REF196，實現(xiàn)了高精度微功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)噪聲對采樣結(jié)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(fā)了標準異步串型通訊接口。
該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于水下弱磁信號的檢測與處理。
工商網(wǎng)監(jiān)
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