高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片LM12H458及其應(yīng)用
關(guān)鍵詞：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ＤＡＳ）； ＬＭ１２Ｈ４５８
１ 概述
ＬＭ１２Ｈ４５８是高集成度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?ＤＡＳ?芯片，它將采樣保持、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換集成在一塊芯片內(nèi)，從而大大減少了外圍電路的設(shè)計。其８路模擬信號輸入既可作為單端輸入，又可兩兩組成差分輸入。器件內(nèi)部提供的一個２．５Ｖ參考電壓、８×４８ｂｉｔ指令ＲＡＭ和３２×１６ｂｉｔ的ＦＩＦＯ大大減小了微處理器的負(fù)擔(dān)。ＬＭ１２Ｈ４５８的工作電壓為３～５．５Ｖ，功耗小于３４ｍＷ，待命模式下的功耗只有５０μＷ。此外，ＬＭ１２Ｈ４５８還有如下主要性能：
●有三種工作模式：分別為帶符號的１３位模式、帶符號的９位模式和看門狗模式；
●有８個模擬信號輸入通道，模擬信號可單端輸入，也可差分輸入；
●內(nèi)置采樣保持和２．５Ｖ參考電壓；
●內(nèi)含３２×１６ｂｉｔ的ＦＩＦＯ；
●采樣時間和轉(zhuǎn)換速率可編程；
●具有自校準(zhǔn)和診斷模式；
●帶有８位或１６位數(shù)據(jù)總線。
２ 引腳功能和功能說明
ＬＭ１２Ｈ４５８的引腳功能如表１所列。圖１為其內(nèi)部功能框圖。ＬＭ１２Ｈ４５８是一個多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其內(nèi)部的電荷重分配ＡＤＣ采用電容梯形網(wǎng)絡(luò)代替普通的電阻梯形網(wǎng)絡(luò)，并使用逐步逼近寄存器的ＤＡＣ使ＶＲＥＦ－和ＶＲＥＦ＋之間產(chǎn)生一個中間電壓，該電壓與輸入的采樣電壓相比較可產(chǎn)生數(shù)字輸出的每一位，中間電壓的個數(shù)和比較的次數(shù)對應(yīng)于ＡＤＣ的分辨率，通過校準(zhǔn)ＡＤＣ中的電容網(wǎng)絡(luò)可校準(zhǔn)數(shù)字輸出的每一位精度。ＬＭ１２Ｈ４５８有兩種不同的校準(zhǔn)模式：一種是補償偏移電壓或零誤差，在該模式下只測量一次偏移誤差，并依此建立修正系數(shù)；另一種為修正偏移誤差和ＡＤＣ線性誤差，稱為全校準(zhǔn)。將該模式下的偏移誤差測量八次，并取平均值即可建立修正系數(shù)。上述兩種模式的修正系數(shù)被存貯在內(nèi)部的偏移修正寄存器中。ＬＭ１２Ｈ４５８的線性修正是通過修正內(nèi)部ＤＡＣ的失配電容獲得的，在ＬＭ１２Ｈ４５８內(nèi)部ＲＯＭ中存有校準(zhǔn)算法，可對每一個電容校準(zhǔn)８次并取平均值，從而產(chǎn)生線性修正系數(shù)。一旦校準(zhǔn)后，內(nèi)部算術(shù)邏輯單元（ＡＬＵ）即可使用偏移誤差修正系數(shù)和線性修正系數(shù)來修正每一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果?？撮T狗模式用于監(jiān)控單端輸入或差分輸入信號的幅值。每個采樣信號都有上下兩個門限，輸入信號高于或低于某一門限值都會產(chǎn)生中斷。
表1 LM12H458的腳符號及功能
| 引腳號 | 符 號 | 功 能 |
| 1，12 | VA+，VD+ | 模擬電源和數(shù)字電源 |
| 2～11，13～18 | D0～D15 | 雙向數(shù)據(jù)總線，總線寬度由BW決定。BW=1，總線寬度為8bit，BW=0，總線寬度16bit |
| 19 | RD | 讀信號輸入 |
| 20 | WR | 寫信號輸入 |
| 21 | CS | 片選輸入 |
| 22 | WR | 地址鎖存，用于總線復(fù)用的系統(tǒng)中 |
| 23 | ALE | 外部時鐘輸入，頻率范圍為0.05MHz～10MHz |
| 24～28 | A0～A4 | 地址線 |
| 29 | SYNC | 同步輸入/輸出，當(dāng)配置寄存器的“I/O選擇”位清零時，SYNC為輸入；而當(dāng)“I/O選擇”位置為1時，SYNC為輸出。 |
| 30 | BW | 總線寬度設(shè)定位，BW=1時，總線寬度為8bit，BW=0時，總線寬度為16bit |
| 31 | INT | 中斷輸出，低電平有效 |
| 32 | DMARQ | DMA請求輸出，高電平有效 |
| 33 | GND | 接地 |
| 34～41 | IN0～I(xiàn)N7 | 模擬信號輸入通道 |
| 42 | VREF- | 負(fù)參考電壓輸入，電壓范圍為0～VREF- |
| 43 | VREF+ | 正參考電壓輸入，電壓范圍0～VA+ |
| 44 | VREFOUT | 內(nèi)部2.5V參考電壓輸出 |
ＬＭ１２Ｈ４５８是一個多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)部有２８個１６ｂｉｔ的寄存器，各個寄存器的功能如下：
配置寄存器是ＤＡＳ的控制中心，可用于控制序列器的啟動和停止、復(fù)位ＲＡＭ指針和標(biāo)志、設(shè)置待命狀態(tài)、校準(zhǔn)偏移和線性誤差、選擇ＲＡＭ區(qū)等。
指令ＲＡＭ分為三個區(qū)：指令區(qū)、門限１區(qū)、門限２區(qū)。每一條指令（４８ｂｉｔ＝３Ｘ１６ｂｉｔ）分散在三個１６比特字寬的ＲＡＭ區(qū)中，三個區(qū)的選擇可由配置寄存器２ｂｉｔ的ＲＡＭ指針來控制。指令區(qū)可設(shè)置通道的選擇、工作模式、采樣時間和循環(huán)位。其它兩個區(qū)用于設(shè)置上下門限值。ＤＡＳ可從指令０連續(xù)執(zhí)行所有設(shè)置的指令，執(zhí)行的最后一條指令的循環(huán)位為１時，再返回到指令０。指令執(zhí)行期間，微處理器不能訪問指令ＲＡＭ，只有處理器終止指令循環(huán)后才可訪問。
ＦＩＦＯ為只讀寄存器，可用于存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果。
中斷使能寄存器可使用戶激活８個中斷源，該寄存器的高字節(jié)與中斷１、２有關(guān)。
圖2 LM12H458與80C51的接口電路
中斷狀態(tài)寄存器和門限狀態(tài)寄存器用于指示ＤＡＳ中斷源和輸入信號是否超過上門限或下門限。
定時寄存器用于設(shè)置指令執(zhí)行前的等待時間。而指令寄存器的ｂｉｔ９可使能或禁止插入等待時間。
ＬＭ１２Ｈ４５８有８個中斷源，各中斷具有同等的優(yōu)先級別，中斷使能寄存器可使能或禁止相應(yīng)的中斷，當(dāng)發(fā)生中斷時，中斷狀態(tài)寄存器相應(yīng)的位置１。各個中斷對應(yīng)的功能如下：
●ＩＮＴ０：模擬輸入信號在規(guī)定的門限值以外產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ１：序列發(fā)生器執(zhí)行到某條指令時，該指令地址等于中斷使能寄存器中ｂｉｔ８～ｂｉｔ１０設(shè)定的值時，產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ２：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在ＦＩＦＯ，當(dāng)ＦＩＦＯ中轉(zhuǎn)換結(jié)果的個數(shù)等于中斷使能寄存器比特１１～１５中設(shè)定的值時，產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ３：完成單次采樣自動校準(zhǔn)后產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ４：完成一次完整的自校準(zhǔn)后產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ５：執(zhí)行時，指令暫停位為１時產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ６：電源指示中斷，當(dāng)芯片供電電壓小于４Ｖ時，產(chǎn)生中斷。
●ＩＮＴ７：在從等待模式返回１０ｍｓ后產(chǎn)生中斷。
圖3 編程流程圖
３ 應(yīng)用
３．１ 硬件電路設(shè)計
ＬＭ１２Ｈ４５８靈活的總線接口簡化了與多種微處理器的接口，它既可與８位處理器相連，又可方便地與１６位微處理器相連。圖２為ＡＴ８９Ｃ５１與ＤＡＳ的接口電路圖。該電路采用全地址譯碼方式來產(chǎn)生ＤＡＳ的片選信號ＣＳ，其ＤＡＳ映射的地址空間為００００－００１Ｆ，數(shù)據(jù)總線寬度為８ｂｉｔ。圖中的７４ＨＣ３７３用于鎖存低８位地址，而８ｂｉｔ幅度比較器則可用來對高８位地址進行譯碼，通過比較地址與地址范圍所選擇的輸入邏輯可產(chǎn)生Ｕ５（７４ＨＣ１３８）的選通信號，７４ＨＣ１３８的Ｙ０可作為ＤＡＳ的片選信號。ＤＡＳ的ＩＮＴ端口用于驅(qū)動ＡＴ８０Ｃ５１的中斷ＩＮＴ０，同時它還允許ＤＡＳ請求中斷服務(wù)。
３．２ 軟件編程
ＬＭ１２Ｈ４５８雖然應(yīng)用靈活、廣泛，但基本的工作流程不變，圖３為其典型的編程流程。在處理器初始化后，應(yīng)向ＤＡＳ寫入合適的指令以初始化ＤＡＳ，以便設(shè)置采樣時間、工作模式、通道選擇等。完成一次全校準(zhǔn)需要４９４４個時鐘周期，若設(shè)置中斷使能，校準(zhǔn)后應(yīng)產(chǎn)生中斷以通知微處理器。全校準(zhǔn)會影響ＤＡＳ的內(nèi)部標(biāo)志和指針，從而影響指令的執(zhí)行。因此校準(zhǔn)后必須復(fù)位。將配置寄存器的ｂｉｔ０設(shè)置為１可啟動序列器。流程圖中的ｐ表示用戶定義的不同工作模式。圖３（ａ）為ＤＡＳ的初始化和序列器的啟動流程，圖３（ｂ）為中斷服務(wù)例程。當(dāng)進入中斷服務(wù)后，配置寄存器的ｂｉｔ０應(yīng)清零以停止Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，然后處理中斷事務(wù)。
４ 結(jié)論
ＬＭ１２Ｈ４５８數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片功能強大、應(yīng)用靈活，可廣泛用于數(shù)據(jù)記錄、測量儀器、慣性制導(dǎo)、過程控制、能源消耗管理等方面。由于篇幅所限，本文僅作簡單介紹，有關(guān)ＬＭ１２Ｈ４５８的詳細(xì)技術(shù)資料可在Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ的網(wǎng)站上獲得。筆者已將ＬＭ１２Ｈ４５８用于ＰＩ網(wǎng)絡(luò)石英晶體元件的測試系統(tǒng)中。使用證明：ＬＭ１２Ｈ４５８的轉(zhuǎn)換精度很高，而且工作穩(wěn)定可靠。
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