12位串行模／數(shù)轉換器ADS1286在溫度檢測中的應用

摘要：為了實現(xiàn)對溫度檢測的高精度要求，利用12位分辨率的微功耗A／D轉換芯片．ADS1286，配合AT89C2051單片機，對溫度檢測系統(tǒng)中的溫度采集部分進行了硬件和軟件設計。將該溫度采集電路應用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設計中，檢測溫度范圍在0～350℃之間，溫度檢測精度達到±0．1℃。實踐證明，該溫度采集電路測量精度高，工作可靠穩(wěn)定，適用于工業(yè)測控瓴域及智能化儀器儀表中對溫度檢測提出高精度要求的應用場合。
關鍵詞：ADS1286；工業(yè)測控；溫度采集；智能化儀器

    溫度檢測在工業(yè)測控領域中較為常見，一般工業(yè)用溫度檢測系統(tǒng)對檢測精度都有很高的要求。利用高精度A／D轉換芯片及單片機可以方便地構成測量精度高，性能穩(wěn)定的溫度檢測系統(tǒng)。本文采用12位串行控制的A／D轉換芯片ADS1286，配合AT89C2051單片機對溫度檢測系統(tǒng)中的溫度采集部分進行設計。ADS1286的串行接口使得電路設計簡單，減少了連線，提高了系統(tǒng)的可靠性；較高的分辨率保證了溫度檢測的高精度要求。

1 芯片介紹
    ADS1286是美國BURR—BROWN公司生產的12位微功耗A／D轉換芯片，其供電電流僅為250μA，采樣率為20 kHz，提供了一個用于兩線或三線接口通信，并與SPI或SSI兼容的串行接口。微功耗以及串行接口的特點使得ADS1286非常適合于遠距離及需要屏蔽的數(shù)據(jù)采集的應用場合。ADS1286采用8引腳小型DIP封裝形式，VREF為參考電壓輸入端；+In為同相輸入端；一In為反相輸入端；GND為接地端；為片選端／低功耗模式選擇，當該引腳出現(xiàn)低電平時，芯片片選有效，當該引腳為高電平時為低功耗模式；DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端；DCLOCK為時鐘輸入端；+Vcc為電源正端(+6 V MAX)。ADS1286芯片內部結構如圖1所示，由采樣／保持差動放大器、電容數(shù)／模轉換器CDAC、比較器、逐次逼近寄存器、控制電路及串行接口電路組成。串行接口包含2個數(shù)字輸入端(DCLOCK和／SHDN)及1個三態(tài)輸出口DOUT，構成了與微處理器進行串行通信的三線接口。

    ADS1286的工作時序如圖2所示，上電后，端置于高電平，此時片選無效，DCLOCK端時鐘信號輸入被禁止，DOUT端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。端電平發(fā)生由高到低的變化后，片選有效，A／D采樣時序開始，經過延遲時間tCSD，時鐘信號允許接入DCLOCK端，在片選有效后，從第二個時鐘信號開始進入A／D轉換時序，DOUT端脫離高阻狀態(tài)，并在每個時鐘信號的下降沿輸出同步數(shù)字序列，在先輸出一個無效位(NULL BIT)后，接下來的12個時鐘信號每個信號的下降沿DOUT端從高位(MSB)開始輸出12位A／D轉換結果，并在每個時鐘信號的上升沿鎖存這12位A／D轉換結果。12個時鐘信號周期的轉換時間結束后直至下一次／SHDN端電平出現(xiàn)由高到低的變化，ADS1286工作在低功耗模式下。

    圖2(a)與圖2(b)的不同之處在于，在DOUT端由高位到低位輸出12位A／D轉換結果后，若DCLOCK端仍然維持時鐘信號，則DOUT端從次低位(LSB+1位)開始由低到高再次輸出A／D轉換結果，直到／SHDN端電平出現(xiàn)由低到高的變化時停止。若該次A／D轉換結果完整輸出后，DCLOCK端時鐘信號仍然有效，則DOUT端輸出低電平信號，此過程如圖2(b)所示。

2 溫度采集部分硬件設計
    在溫度檢測系統(tǒng)中，為了采集目標對象的當前溫度，采用測溫范圍寬，穩(wěn)定性好的鉑電阻作為測溫元件，由鉑電阻構成的惠斯通電橋將溫度信號轉換成微小電壓信號后，再經儀表放大器進行放大，得到放大的模擬溫度信號。為了能夠對采集溫度信號進行處理，需要先將采集放大后的模擬溫度信號轉換為數(shù)字信號，然后再送入單片機處理。本文采用12位分辨率的模／數(shù)轉換芯片ADS1286對采集到的模擬溫度信號進行A／D轉換，以減小A／D轉換的量化誤差，ADS1286是在AT89C2051單片機發(fā)送的時鐘信號的控制下，并在片選有效時，通過串行數(shù)據(jù)輸出端向單片機提供12位串行溫度數(shù)據(jù)。溫度采集部分的原理框圖如圖3所示。

    溫度采集電路如圖4所示，由鉑電阻Rt，電阻R1，R2，R3及可變電阻W1構成的惠斯通電橋用于測量目標的溫度，鉑電阻的阻值隨溫度變化發(fā)生相應的變化，惠斯通電橋也隨之輸出變化的電壓。該輸出電壓較小，需將其接入如圖4所示的AD620儀表放大器進行放，以滿足A／D轉換需要的輸入電壓范圍。AD620儀表放大器具有低功耗，高增益的特點，通過調節(jié)外接可變電阻Rg的阻值改變放大倍數(shù)，其放大增益G=1+49．4 k／Rg。根據(jù)檢測溫度的范圍，依次調節(jié)可變電阻W1及Rg，使得在最低和最高檢測溫度時，放大器輸出分別為0和5 V，因此溫度在檢測范圍內變化時，放大器可輸出滿足A／D轉換需要的輸入電壓范圍(0～5 V)。
    模擬溫度信號采集放大后，其輸出信號通過+In引腳接入ADS1286芯片進行A／D轉換，ADS1286芯片+VCC引腳接正電源Vcc，VREF引腳接基準電源VREF，-In及GND引腳接地。ADS1286芯片的DCLOCK，DOUT及三個引腳分別與AT89C2051單片機P1．5～P1．3三個引腳輸出相連，單片機通過程序由P1．5引腳輸出ADS1286工作所需的時鐘信號，單片機通過P1．3引腳可實現(xiàn)對ADS1286芯片的選中及低功耗模式的選擇，該引腳輸出低電平時，ADS1286片選有效，該引腳高電平時，ADS1286處于低功耗狀態(tài)。AT89C2051嚴格按照ADS1286芯片操作時序，控制ADS1286芯片對模擬溫度信號進行A／D轉換，并將轉換后的12位數(shù)字溫度數(shù)據(jù)由DOUT引腳輸出，通過P1．4引腳串行輸入至單片機。
    溫度采集電路中，開關電源產生的±15 V電壓作為AD620儀表放大器的正、負電源，+15 V電壓接入由TL431ALCP精密基準穩(wěn)壓器及電阻R4～R6構成的分路穩(wěn)壓器，其輸出向外部提供精準電壓，被用作惠斯通電橋的電源及ADS1286芯片的基準電源。
    AT89C2051單片機對ADS1286芯片的時序控制采用圖2(b)所示操作時序。首先，通過P1．3引腳向端提供低電平，使ADS1286片選有效，ADS1286開始對模擬輸入電壓進行采樣，經過延遲時間tCSD，AT89C2051通過P1．5引腳向DCLOCK端提供時鐘信號。在ADS1286片選有效后，從第二個時鐘信號開始進入A／D轉換時序，此時，DOUT端先輸出一個無效位，在接下來的11個時鐘信號每個信號的下降沿在DOUT端從高位(MSB)開始輸出A／D轉換結果，在緊接著的12個時鐘信號每個信號的下降沿DOUT端從LSB位開始再次輸出這12位A／D轉換結果，AT89C2051單片機在每個時鐘信號的下降沿，通過P1．4引腳從低位到高位接收該次轉換結果。在12位的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)接收完畢后，單片機通過P1．3引腳將端置為高電平并準備下一次從ADS1286接收A／D轉換的溫度數(shù)據(jù)。

3 溫度采集部分軟件設計
    AT89C2051單片機對ADS1286芯片的12位A／D轉換結果需要分2次讀取，低8位轉換結果存于片內RAM31H單元，高4位轉換結果存于片內RAM32H單元。溫度采集A／D轉換子程序如下：
   
   
   

4 結語
    ADS1286是一款性價比很高的模／數(shù)轉換芯片，將其應用于溫度檢測系統(tǒng)中，串行接口使得電路配置簡單，而且其較高的分辨率減小了A／D轉換的量化誤差，保證了系統(tǒng)對溫度檢測的高精度要求。該芯片應用在氣流式液相微萃取儀微型加熱器的設計中，檢測溫度范圍為0～350℃，微型加熱器溫度檢測精度達到±0．1℃。正是由于ADS1286能簡化電路設計，并且保證測量系統(tǒng)的高精度，它在智能化儀器儀表以及工業(yè)測控領域具有較高的實用價值。