串行A／D轉換器ADS1110及其在AT89C51單片機中的應用

1 引言

AT89C51單片機系統(tǒng)經常使用A／D轉換器。雖然并行A／D轉換器速度高、轉換通道多，但其價格高，占用單片機接口資源比串行A／D轉換器多。工業(yè)檢測控制及智能化儀器儀表中經常采用串行A／D轉換器。ADS1110是一種精密、可連續(xù)自校準的串行A／D轉換器，帶有差分輸入和高達16位的分辨率，其串行接口為I2C總線。AT89C51單片機通過軟件模擬I2C總線實現與ADS1110的連接。

2 ADS1110的特點與內部結構

2.1 ADS1110的特點

完整的數據采集系統(tǒng)和小型SOT23-6封裝；片內基準電壓：精度2.048 V+0.05％；片內可編程增益放大器PGA；片內振蕩器；16位分辨率；可編程的轉換速率15次／秒～240次／秒；I2C總線接口(8個有效地址)；電源電壓2.7 V～5.5 V；低電流消耗240 μA。

2.2 ADS1110的引腳功能

ADS1110串行A／D轉換器采用6引腳貼片封裝，其引腳排列如圖1所示。VDD：電源端，通常接+5V；GND：模擬地和數字地；VIN+、VIN-：采樣模擬信號輸入端，其范圍為2.048 V～2.048 V；SCL：I2C總線時鐘線；SDA：I2C總線數據線。

2.3 ADS1110的內部結構

ADS1110是由帶有可調增益的△-∑型轉換器內核、2.048 V的電壓基準、時鐘振蕩器和I2C總線接口組成。其內部結構如圖2所示。

ADS1110的A／D轉換器內核是由差分開關電容△-∑調節(jié)器和數字濾波器組成。調節(jié)器測量正模擬輸入和負模擬輸入的壓差，并將其與基準電壓相比較。數字濾波器接收高速數據流并輸出代碼，該代碼是一個與輸入電壓成比例的數字，即A／D轉換后的數據。

ADS1110片內電壓基準是2.048 V。ADS1110只能采用內部電壓基準該基準，不能測量，也不用于外部電路。ADS1110片內集成時鐘振蕩器用于驅動△-∑調節(jié)器和數字濾波器。ADS1110的信號輸入端設有可編程增益放大器PGA，其輸入阻抗在差分輸入時的典型值為2.8 MΩ。

3 ADS1110的使用

3.1 I2C總線接口

ADS1110通過I2C總線(內部集成電路)接口通信，AT89C51單片機的2個I／O接口最多可掛接8個ADS1110，單片機對ADS1110的識別通過I2C地址實現。ADS1110只能作為從機。

ADS1110的I2C地址是1001aaa，其中aaa是出廠時默認設置。ADS1110有8種不同類型，每種類型都有不同的I2C地址。封裝上，ADS1110的每種類型都以EDx為標識，其中x表示地址變量。

3.2寄存器

ADS1110含有輸出寄存器和配置寄存器，可通過I2C端口進行訪問。輸出寄存器存儲A／D轉換結果，而配置寄存器用于設置ADS1110的工作方式，數據速率和可編程增益放大器，也可用于查詢器件狀態(tài)。

3.3 ADS1110的讀寫

3.3.1讀操作

若從ADS1110中讀取輸出寄存器和配置寄存器的內容，需對ADS1110尋址。從ADS1110中讀取3個字節(jié)，前2個字節(jié)是輸出寄存器的內容，第3個字節(jié)是配置寄存器的內容。讀操作時，只讀前2個字節(jié)而不讀第3個字節(jié)。ADS1110的讀操作時序如圖3所示。

3.3.2寫操作

為了對配置寄存器寫操作，要對ADS1110尋址，并向配置寄存器寫入1個字節(jié)，但不能向輸出寄存器寫人字節(jié)。其寫操作時序如圖4所示。

4 ADS1110在AT89C51系統(tǒng)應用

4.1硬件設計

由于AT89C51單片機沒有I2C總線接口，可通過軟件模擬實現與I2C總線器件的連接。具體方法是將單片機的I／O接口連接至I2C的數據線SDA和時鐘線SCL。通過軟件控制時鐘和數據傳輸，系統(tǒng)靈活性強。

圖5所示是數據采集顯示系統(tǒng)，采集工業(yè)現場的4路模擬信號并輪詢顯示。采用4個ADS1110作為A／D轉換器，地址為ED0～ED3。具有I2C總線接口的EEPROM AT24C16作為存儲器。本系統(tǒng)有4位LED數碼顯示管和4個參數設定按鍵。采集數據經數字濾波、16進制→工程值轉換后，送至數碼管輪詢顯示。ADS1110和AT24C16的I2C接口連ADSl110數據線SDA至單片機的P1.0，時鐘線SCL連接單片機的P1.1，上拉電阻阻值選10 kΩ。

4.2軟件設計

按照硬件電路，編寫A／D轉換子程序為ADS0，其中嵌套調用了START，為起始命令子程序，FSDZ1為向ADS1110發(fā)送單個字節(jié)命令的子程序，ADREAD是讀取輸出寄存器和配置寄存器的子程序，STOP是停止命令子程序。ADS0只對地址為ED0的ADS1110讀數，如果要讀取其他ADS1110，只需更改地址即可。系統(tǒng)中ADS1110的工作方式選用默認設置，即配置寄存器內容為#8CH，所以程序未向配置寄存器寫入數據。程序代碼如下：

5 結束語

ADS1110是一款高性價比具有I2C總線接口的串行A／D轉換器。ADS1110已在單片機系統(tǒng)中應用，并用于現場。實踐證明，ADS1110和單片機組成的數據采集系統(tǒng)，占用I／O端口少、功耗低，適用無電源場合。但需注意的是，因I2C總線為串行擴展總線，數據采集時不能用于實時速度要求較高的場合。