王丹琦，黃根春，孫小剛

（1.新疆師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830054；2.武漢大學(xué)電信學(xué)院，湖北武漢430079）

數(shù)據(jù)采集就是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再進(jìn)行處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)影響到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。ADS8509是一款新型的16位精度，CMOS結(jié)構(gòu)的逐次逼近寄存器型A/D轉(zhuǎn)換器[1-2]，采樣率高達(dá)250 kHz，最大非線性誤差小于±2LSB。本設(shè)計(jì)采用ADS8509和單片機(jī)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有采集速度快，精度高，控制簡單等特點(diǎn)。

1 ADS8509的性能特點(diǎn)和管腳說明[3]

ADS8509采用3個(gè)模擬量輸入，串口輸出，與SPI串行通信協(xié)議兼容。ADS8509片內(nèi)自帶基準(zhǔn)源，有6種可選的電壓輸入范圍，且輸入電壓范圍可以是單極性，也可以是雙極性。數(shù)據(jù)輸出可采用內(nèi)部參考時(shí)鐘，也可與外部時(shí)鐘同步，同時(shí)輸出同步脈沖信號，方便與標(biāo)準(zhǔn)DSP處理器接口。

ADS8509采用20引腳SOIC和28引腳SSOP兩種封裝形式，并且采用單極性+5 V供電電源，指定工作溫度范圍在-40～85℃之間。引腳圖如圖1所示。

圖1 引腳圖Fig.1 Pin configurations

R1IN～R3IN：模擬信號輸入端。

AGND1～AGND2：模擬地。

CAP：標(biāo)準(zhǔn)緩沖電容器，通過2.2 μF的電解電容接地。

REF：標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出，內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓為2.5 V。一般通過一個(gè)2.2 μF的電解電容接地。

DGND：數(shù)字地。

VDIG：數(shù)字電源輸入，標(biāo)定為+5 V。

VANA：模擬電源輸入，標(biāo)定為+5 V。

PWRD：電源掉電輸入，接低電平。

BUSY：忙輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始后，開始變低，直到轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)被存到移位寄存器中后，才開始變高。

CS：片選信號，低電平有效。

TAG：外部時(shí)鐘模式下的標(biāo)記輸入。

DATA：串行數(shù)據(jù)輸出。

DATACLK：內(nèi)部或外部時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)輸出DATA與DATACLK同步。當(dāng)為高電平時(shí)，DATACLK為外部時(shí)鐘信號輸入端；當(dāng)為低電平時(shí)，DATACLK為內(nèi)部時(shí)鐘。

SYNC：同步輸出。

2 ADS8509的工作原理[4]

在采用外部時(shí)鐘模式時(shí)，還有幾種不同的模式。一般情況下，只有在讀數(shù)據(jù)的時(shí)候才采用外部時(shí)鐘。這種叫做間斷模式。因?yàn)橥獠繒r(shí)鐘和控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的內(nèi)部時(shí)鐘并不同步，所以在外部時(shí)鐘模式下，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘有一點(diǎn)輕微的變動，都會影響采樣的過程。

在間斷模式下，數(shù)據(jù)在采樣或者轉(zhuǎn)換時(shí)都能被讀，而且都有個(gè)同步輸出脈沖信號SYNC。無論是在采樣期間還是轉(zhuǎn)換期間，SYNC脈沖都會在外部時(shí)鐘的上升沿產(chǎn)生，當(dāng)然，這不是在讀狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的，SYNC是在讀指令之后的第一個(gè)上升沿產(chǎn)生的。每來一個(gè)上升沿，就產(chǎn)生一個(gè)SYNC信號，數(shù)據(jù)在SYNC脈沖產(chǎn)生后才被取出。

3 ADS8509與單片機(jī)接口的應(yīng)用電路

本文介紹一種ADS8509與單片機(jī)8051接口的數(shù)據(jù)采集電路，圖2給出了ADS8509的外圍電路[5]及與單片機(jī)的接口電路[6-7]。

圖2 ADS8509與單片機(jī)8051接口電路圖Fig.2 Interface circuit diagram between ADS8509 and 8051MCU

具體的數(shù)據(jù)采集過程[8-9]如下所述：ADS8509的管腳接低電平，采用內(nèi)部時(shí)鐘模式接高電平，輸出數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼。片選信號接地。啟動信號為一脈沖，由外部電路過零比較器LM311產(chǎn)生，接入ADS8509的R/管腳。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換啟動管腳輸出一個(gè)低電平，一直保持到轉(zhuǎn)換結(jié)束，所以將接入單片機(jī)8051的P1.0腳，當(dāng)狀態(tài)為1時(shí)，開始讀取采樣數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和內(nèi)部時(shí)鐘DATACLK同步，所以將DATA接至單片機(jī)的P1.1腳，DATACLK接至單片機(jī)的P1.2腳，每檢測到一次DATACLK信號的低電平，就讀取一位數(shù)據(jù)放在移位寄存器中，當(dāng)讀滿16位時(shí)，完成一個(gè)數(shù)據(jù)的讀取。

數(shù)據(jù)采集的程序采用C語言[10]編寫，在Keil uVision環(huán)境下編譯，下面附上數(shù)據(jù)采集的部分程序。

4 結(jié)論

筆者詳細(xì)論述了高速串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8509的性能及工作模式，并給出了與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)通訊的實(shí)例，試驗(yàn)表明串行模式的A/D轉(zhuǎn)換器也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。數(shù)據(jù)采集的程序采用C語言編寫，提高了軟件開發(fā)效率，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

設(shè)計(jì)的不足之處在于，如果系統(tǒng)的輸入信號頻率較高，那么高速的A/D轉(zhuǎn)換器會和單片機(jī)的處理速度不匹配，單片機(jī)無法及時(shí)完成數(shù)據(jù)的讀取工作，這就需要在A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)之間加入控制接口電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖和暫存。

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