高精度微功耗数据采集系统设计与应用

对于水下弱磁信号的检测和处理，需要一个能连续工作几个月甚至一年以上的采样精度很高的数据采集处理系统，这就要求该系统必须具有高精度微功耗的功能。本文所介绍的就是能满足这一要求的数据采集系统，它在笔者的工作中已经得到了充分的应用和试验。该系统采用ADS1212作为模/数转换器，它是一个具有高精度、宽动态特性的Δ-∑型A/D芯片。下面先对该芯片的主要特点和用法进行简要介绍，随后介绍ADS1212与微功耗单片机PIC16F84A的接口电路及程序设计。

1 ADS1212/B简介

1.1 特点及结构

ADS1212特点如下：

(1)Δ-∑型A/D转换器。

(2)采样数据输出速率在10Hz时有效分辨率可达到20位，采样数据输出速率在1000Hz时有效分辨率可达16位。

(3)最低功耗为1.4mW。

(4)差分输入。

(5)具有可编程的增益放大器。

(6)SPI兼容SSI接口。

(7)可编程设置采样速率。

(8)可使用内部或外部的参考电压。

(9)具有芯片自校准功能。

ADS1212芯片为18脚DIP或SOIC封装，ADS1213含有一个四通道多

路开关，为24脚DIP或SOIC封装或28脚SSOP封装。其结构如图1所示，其内部由可编程增益放大器(PGA)、二阶Δ-∑调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器、微控制器单元、寄存器组(指令寄存器、命令寄存器、数据寄存器、校准数据寄存器)、一个串行接口。一个时钟电路和一个内部2.5V电压基准等组成。

1.2 主要性能

可编程增益放大器的增益(G)可设为1、2、4、8、16，而加速因子(TMR)也可设为1、2、4、8、16，它们之间的关系为乘积应≤16，如表1所示。

表1 增益与加速因子的关系

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采样精度同增益和加速因子的设置都有关系，具体如表2所示。这里需要指出的是，不能同时追求采样速度和采样精度，只有选取合适的速度和精度才能体现出该芯片的优势。

表2 采样精度与增益和加速因子的关系设G=1，fXIN=1MHz(fXIN是外部晶体振荡器频率)

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1.3 主要功能寄存器

ADS1212/13内部有5种功能寄存器。其中指令寄存器(INSR)和命令寄存器(CMR)用于控制转换器的操作。数据输出寄存器(DOR)用于存放最新的转换结果。零点校准寄存器(OCR)和满量程寄存器(FCR)用于对转换结果进行校准。

指令寄存器INSR是一个8位寄存器，对ADS1211/10的每一步操作都是从它开始的。具体格式如下：

R/W是读写控制位。1为读操作，0为写操作。

MB1MB0是欲读写的字节数。00 ～11对应1 ～4。

A3～A0是欲读写寄存器的地址。

命令寄存器CMR是一个32位寄存器，通过对它的操作可以设置ADS1211/10的各种工作模式，格式如表3所示。

BIAS是参考电压输出开关位，0为关，1为开。 2.4 程序设计

REFO是基准电压输入开关位，1为使用内部基准，0为使用外部基准。

DF是样数据输出形式位，0为被码形式输出，1为原码形式输出。

U/B是数据极性输出，0为双极性数据输出，1单极性数据输出。

BD是读字节的顺序位，0为从高字节到低字节，1为从低字节到高字节。

MSB是位的顺序位，0为从高位到低位，1为从低位到高位。

SDL是数据输出线选择位，0为用SDIO输出，1为用SDOT输出。

DRDY是只读位，0表示输出数据准备好，1表示输出数据没有准备好。

DSYNC是只写位，同DRDY共用一位，0表示不改变调制器的计数器值，1表示将调制器的计数器值复位到0。

MD2～MD0是模式设置位，用于设备芯片的各种工作模式。

G2～G0是增益设置位，用于对输入信号设置增益。

CH1CH0是通道选择位，只适用于ADS1213，而ADS1212只有一个通道。

SF2～SF0是加速因子选择位。

SR12～DR0是抽取速率选择位(Decimation Ratio)。这里需要指出的是，以前的资料对它的计算公式均有误，现更正如下：

fDATA=fXIM.

W 14H ;CMR2=28H(00101000B，自校准模式，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 ;读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，返回继续

CALL PSCONVT ;进行数据转换

采用ADS1212加PIC16F84A及微功耗基准ADR291、REF196，实现了高精度微功耗数据采集系统，系统工作电流为1.6～1.9mA，采样精度可达20位。

信号输入电路采用差分输入，其负端接2.5V基准电压，有效降低了系统噪声对采样结果的影响。

PIC16F84A具有微功耗的特点，但缺少通讯接口，通过软件成功开发了标准异步串型通讯接口。

该系统已成功应用于水下弱磁信号的检测与处理。