串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS1110及其在AT89C51單片機(jī)中的應(yīng)用

1 引言

AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)常使用A／D轉(zhuǎn)換器。雖然并行A／D轉(zhuǎn)換器速度高、轉(zhuǎn)換通道多，但其價(jià)格高，占用單片機(jī)接口資源比串行A／D轉(zhuǎn)換器多。工業(yè)檢測(cè)控制及智能化儀器儀表中經(jīng)常采用串行A／D轉(zhuǎn)換器。ADS1110是一種精密、可連續(xù)自校準(zhǔn)的串行A／D轉(zhuǎn)換器，帶有差分輸入和高達(dá)16位的分辨率，其串行接口為I2C總線。AT89C51單片機(jī)通過軟件模擬I2C總線實(shí)現(xiàn)與ADS1110的連接。

2 ADS1110的特點(diǎn)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 ADS1110的特點(diǎn)

完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和小型SOT23-6封裝；片內(nèi)基準(zhǔn)電壓：精度2.048 V+0.05％；片內(nèi)可編程增益放大器PGA；片內(nèi)振蕩器；16位分辨率；可編程的轉(zhuǎn)換速率15次／秒～240次／秒；I2C總線接口(8個(gè)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(zhuǎn)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(shù)字地；VIN+、VIN-：采樣模擬信號(hào)輸入端，其范圍為2.048 V～2.048 V；SCL：I2C總線時(shí)鐘線；SDA：I2C總線數(shù)據(jù)線。

2.3 ADS1110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADS1110是由帶有可調(diào)增益的△-∑型轉(zhuǎn)換器內(nèi)核、2.048 V的電壓基準(zhǔn)、時(shí)鐘振蕩器和I2C總線接口組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ADS1110的A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)核是由差分開關(guān)電容△-∑調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器組成。調(diào)節(jié)器測(cè)量正模擬輸入和負(fù)模擬輸入的壓差，并將其與基準(zhǔn)電壓相比較。數(shù)字濾波器接收高速數(shù)據(jù)流并輸出代碼，該代碼是一個(gè)與輸入電壓成比例的數(shù)字，即A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

ADS1110片內(nèi)電壓基準(zhǔn)是2.048 V。ADS1110只能采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)該基準(zhǔn)，不能測(cè)量，也不用于外部電路。ADS1110片內(nèi)集成時(shí)鐘振蕩器用于驅(qū)動(dòng)△-∑調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器。ADS1110的信號(hào)輸入端設(shè)有可編程增益放大器PGA，其輸入阻抗在差分輸入時(shí)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(nèi)部集成電路)接口通信，AT89C51單片機(jī)的2個(gè)I／O接口最多可掛接8個(gè)ADS1110，單片機(jī)對(duì)ADS1110的識(shí)別通過I2C地址實(shí)現(xiàn)。ADS1110只能作為從機(jī)。

ADS1110的I2C地址是1001aaa，其中aaa是出廠時(shí)默認(rèn)設(shè)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(biāo)識(shí)，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(jìn)行訪問。輸出寄存器存儲(chǔ)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，而配置寄存器用于設(shè)置ADS1110的工作方式，數(shù)據(jù)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(nèi)容，需對(duì)ADS1110尋址。從ADS1110中讀取3個(gè)字節(jié)，前2個(gè)字節(jié)是輸出寄存器的內(nèi)容，第3個(gè)字節(jié)是配置寄存器的內(nèi)容。讀操作時(shí)，只讀前2個(gè)字節(jié)而不讀第3個(gè)字節(jié)。ADS1110的讀操作時(shí)序如圖3所示。

3.3.2寫操作

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

4 ADS1110在AT89C51系統(tǒng)應(yīng)用

4.1硬件設(shè)計(jì)

由于AT89C51單片機(jī)沒有I2C總線接口，可通過軟件模擬實(shí)現(xiàn)與I2C總線器件的連接。具體方法是將單片機(jī)的I／O接口連接至I2C的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。通過軟件控制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)靈活性強(qiáng)。

圖5所示是數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的4路模擬信號(hào)并輪詢顯示。采用4個(gè)ADS1110作為A／D轉(zhuǎn)換器，地址為ED0～ED3。具有I2C總線接口的EEPROM AT24C16作為存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)有4位LED數(shù)碼顯示管和4個(gè)參數(shù)設(shè)定按鍵。采集數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波、16進(jìn)制→工程值轉(zhuǎn)換后，送至數(shù)碼管輪詢顯示。ADS1110和AT24C16的I2C接口連ADSl110數(shù)據(jù)線SDA至單片機(jī)的P1.0，時(shí)鐘線SCL連接單片機(jī)的P1.1，上拉電阻阻值選10 kΩ。

4.2軟件設(shè)計(jì)

按照硬件電路，編寫A／D轉(zhuǎn)換子程序?yàn)锳DS0，其中嵌套調(diào)用了START，為起始命令子程序，F(xiàn)SDZ1為向ADS1110發(fā)送單個(gè)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(duì)地址為ED0的ADS1110讀數(shù)，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(rèn)設(shè)置，即配置寄存器內(nèi)容為#8CH，所以程序未向配置寄存器寫入數(shù)據(jù)。程序代碼如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

ADS1110是一款高性價(jià)比具有I2C總線接口的串行A／D轉(zhuǎn)換器。ADS1110已在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用，并用于現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)踐證明，ADS1110和單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，占用I／O端口少、功耗低，適用無(wú)電源場(chǎng)合。但需注意的是，因I2C總線為串行擴(kuò)展總線，數(shù)據(jù)采集時(shí)不能用于實(shí)時(shí)速度要求較高的場(chǎng)合。