AD7674和C8051 F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘 要 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度和傳輸速度要求越來越高。本文介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案采用了ADI公司的高精度18位SAR型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7674與Silicon Labora-tories公司C8051F060單片機構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并利用并口模式實現(xiàn)C8051F060單片機與AD7674之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，給出了部分源程序。
關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 并口 C8051F060

1 AD7674和C8051060簡介
1．1 AD7674簡介
    AD7674是一款高精度 18位逐次逼近(SAR)型ADC，具有采樣速率高、精度高、功耗低、無管道延遲的特點，其采樣速率最高可以達(dá)到800 kHz，積分非線性誤差(INL)最大為±2．5 LSB，在整個工作溫度范圍內(nèi)可保證無丟碼。該器件是全差分輸入，5 V單電源供電，可接5 V或3．3 V數(shù)字電源。AD7674還具有許多其他特點，包括1個內(nèi)部變換時鐘、1個內(nèi)部基準(zhǔn)緩沖器、誤差修正電路以及串行(SPI)與并行(18、16或8位總線)接口。
    AD7674采用逐次逼近結(jié)構(gòu)。由于逐次逼近結(jié)構(gòu)的多路技術(shù)和低功耗，使此器件比一般∑-△ A／D轉(zhuǎn)換器的性能更優(yōu)越；而且芯片內(nèi)部還集成了跟蹤保持電路，逐次逼進(jìn)的結(jié)構(gòu)使其沒有任何通道延時，這些特征使該器件廣泛地應(yīng)用于多通道系統(tǒng)中。
    器件的原理框圖如圖1所示。

    AD7674能提供3種不同轉(zhuǎn)換速率工作方式，以便對不同的具體應(yīng)用優(yōu)化性能。這3種工作模式如下：
    WARP，允許采樣率高達(dá)800 kHz。然而在這種模式下只有當(dāng)轉(zhuǎn)換之間的時間不超過1 ms時，才能保證其轉(zhuǎn)換的精度。如果連續(xù)兩次轉(zhuǎn)換之間的時間大于1 ms，第一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果就會被忽略，這種模式適合于要求快速采樣率的應(yīng)用。
    NORMAL，這種模式的采樣率為666 kHz，在這種模式下對采樣轉(zhuǎn)換之間的時間沒有限制，既可保證高的轉(zhuǎn)換精度又可確?？焖俚牟蓸铀俾?。
    IMPULSE，一種低功耗模式，其采樣率為570 kHz。例如當(dāng)器件工作在1 kHz時，僅消耗功率136μW。該器件適合于電池供電的應(yīng)用。
1．2 C8051 F060簡介
    C8051F060單片機是表貼TQFP100封裝，包括1個8051內(nèi)核，2個16位AD轉(zhuǎn)換器，8個8位A／D轉(zhuǎn)換器，2個12位D／A轉(zhuǎn)換器，1個SPI接口，1個I2C接口，2個UART接口，64 KB Flash及22個中斷源。只用1塊C8051F060芯片即可完成單片機8051的各種控制，多路A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換，I2C、SPI數(shù)據(jù)總線傳輸，RS232、RS485串口通信等功能，從而大大減少了元器件的種類，縮小了印制板的面積，節(jié)約了成本，提高了系統(tǒng)可靠性。而其交叉開關(guān)方式的配置，使I／O口應(yīng)用更加靈活方便。2 AD7674與C8051F060的接口電路圖2為AD7674在高速采集系統(tǒng)中的外圍電路和接口電路。外圍電路包括電壓基準(zhǔn)輸入的設(shè)計、模擬電壓輸入部分的設(shè)計、模擬和數(shù)字電源供電的設(shè)計及接口電路的設(shè)計。接口電路包括AD7674與C8051F060和CPLD的接口。

3 A／D轉(zhuǎn)換
    本文中的AD7674采用NORMAL模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換。在這種模式下對采樣轉(zhuǎn)換之間的時間沒有限制，這樣可同時保證高的轉(zhuǎn)換精度和采樣速率。
    CNVST信號控制AD7674轉(zhuǎn)換的開始，一旦轉(zhuǎn)換開始就不能放棄或重新開始，直到轉(zhuǎn)換完成。CNVST信號與CS和RD互不干擾。
    AD7674的并口總線寬度可配置為18位、16位或8位。數(shù)據(jù)既可以在每次轉(zhuǎn)換完成后讀出，也可在下一次轉(zhuǎn)換過程中讀出，讀數(shù)據(jù)時序如圖3所示。然而在轉(zhuǎn)換過程讀數(shù)據(jù)模式中，推薦在前半轉(zhuǎn)換周期讀數(shù)據(jù)，這樣可以避免數(shù)字接口和模擬轉(zhuǎn)換電路之間潛在的數(shù)據(jù)沖突。本文采用的是8位并口總線寬度，配置為 MODE0=0，MODE1＝1，以便于和單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    值得注意的是在讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時，采用轉(zhuǎn)換完畢后讀取數(shù)據(jù)。要保證時序關(guān)系正確，一定要在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，而下一次轉(zhuǎn)換開始之前把數(shù)據(jù)讀走；假如讀取數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束或剛啟動下一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，則會造成讀取數(shù)據(jù)錯誤。本文采用CPLD經(jīng)由外部有源晶振進(jìn)行分頻，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換信號CNVST與讀信號RD相關(guān)，使得RD信號和CNVST信號同步，從而保證讀取的采集數(shù)據(jù)正確無誤。

4 軟件編程
    在軟件編制時，首先要對單片機C8051F060進(jìn)行初始化和對AD7674進(jìn)行配置，再啟動轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)。單片機C8051F060的初始化包括對單片機的I／O端口、交叉開關(guān)和系統(tǒng)時鐘的初始化。AD7674配置包括轉(zhuǎn)換模式、總線接口數(shù)據(jù)方式和采樣數(shù)據(jù)存儲格式的配置。部分源代碼程序如下：

結(jié) 語
    本文詳細(xì)介紹了高速率、高精度的18位AD7674與C8051F060之間并口通信的接口電路及其軟件設(shè)計。該嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計簡潔，在Keil 集成開發(fā)環(huán)境下采用單片機C語言編寫、調(diào)試完成。由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可應(yīng)用于各種信號處理系統(tǒng)中，具有很高的推廣價值。本文采用的單片機配置靈活，傳輸速度快，接口采用并口通信，可實現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸；同時AD7674與AD7678、AD7679等18位SAR ADC以及AD7621、AD7623等16位高速SAR ADC引腳相兼容，從而大大增強了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性和拓展性。