基于ADS7870的多路数据采集系统串行接口设计
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关键词：多路数据采集；ADS7870；串行接口；设计
1 引言
1个完整的数据采集器件可包含多路模拟开关、可编程增益放大器、A/D转换器和1个或多个数字I/0通道。所有这些功能都是通过1个串行数据口进行控制的。德州仪器公司的ADS7870就是这样的器件。这款低成本的ADS7870集成了12位、48 kS/s(SAR)的逐次逼近型模/数转换器、4通道差分/8通道单端的多路复用器(multiplexer(MUX))、可编程增益放大器(PGA)、高精度参考电源、内部参考缓冲放大器、片上时钟发生器和用于控制及数据传输的串行接口，为数据采集系统提供了良好的数据转换与处理能力。
2 ADS7870的结构及特点
ADS7870是一个基于SAR的12位精度的数据采集系统，即DAS。与其他同类产品相比，基于SAR架构能以更低的功耗、简单的多通道扫描及内建的采样保持提供极低的延时，从而提供了高精度、通用的单片DAS。如图1所示是其内部结构组成原理图。表l为ADS7870的引脚及功能定义。
ADS7870中的PCA可提供高输入阻抗、卓越的增益精度、良好的共模抑制及极低的噪声。对于普通信号而言，在信号源与ADC输入之间不需要外部放大或阻抗缓冲。PGA的失调电压可自动归零，可提供卓越的长期直流稳定性。增益为l、2、4、5、8、10、16及20 V/V的增益可使125 mV的低信号产生数字输出满量程。正常工作时功耗为8.5 mW，待机模式下的功耗仅为5 mW。
ADS7870有1个内置参考源，用于对温度的初始精度与稳定性进行微调。漂移一般为10-5/℃。内部参考缓冲放大器可用于内部或外部参考。
3 数据采集系统的工作原理
3.1 ADS7870的模/数转换器
ADS7870集成了12位的逐次逼近(SAR)型模/数转换器，其输出为二进制补码形式，并且可以通过串行接口来读取(最高有效位或最低有效位先行均可)，在输入多路复用器配置为差分输入时，模/数转换函数为：
在输入多路复用器配置为单端输入时，模/数转换函数为
模/数转换周期为48个DCLK(分频时钟)，其中，PGA的工作周期为36个DCLK，完成包括输入信号获取、PGA自动归零、电平位移及输入信号放大等过程。SAR占用剩余的12个DCLK。
有4种方法可以启动一个模/数转换周期：发送1个直接模式命令；对寄存器4(增益/多路复用寄存器)进行写操作，置CNV位为l；对寄存器5(数字I/O状态寄存器)进行写操作，置CNV位为l；指定CONVERT引脚为逻辑高电平——在CCLK的第二个有效沿开始一个新的模/数转换周期。
3.2 ADS7870的串行工作模式
图2所示是ADS7870的串行工作模式接口电路。ADS7870的串行工作模式有两种：直接模式和寄存器模式，这两种模式由指令字节的D7位来区别。ADS7870串行接口的工作基于指令字节，该指令字节的后面跟随由它本身决定的动作。这个8位指令字节由时钟输入DIN端输入，二种类型的指令字节可以写入ADS7870，由指令字节的D7位决定，这二个指令字节代表了两种工作模式：直接模式(D7=1)和寄存器模式(D7=0)。
直接模式是通过对ADS7870写入1个单独的8位指令字节(D7=1)来启动一次模数转换。写入的直接模式命令可以设置多路复用器的配置、选择PGA的增益并启动一次转换周期。直接模式的指令结构见表2，D7=l表示直接模式；D6-D4用于控制PGA的增益；D3-DO用于输入通道选择。图3示出直接模式下启动一次转换操作的时序图。
寄存器模式(指令字节的D7=0)是对ADS7870的一个寄存器发出读或写的操作指令，该指令含有对下一个读写操作的寄存器的地址，确定串行通信是以8位还是16位的字长形式进行，并决定下一个操作是从这个被寻址的寄存器读出还是写入。寄存器模式的指令结构为D7=0表示寄存器模式；D6(R/W)决定是读出还是写入，为l表示读，为0表示写；D5(16/8)决定字长，为l表示16位，为0表示8位；D4-DO表示要进行读或写操作的寄存器的地址。
4 数据采集系统的串行接口
4.1 ADS7870串行接口的硬件连接
ADS7870可以通过数字串行接口与微处理机及其他外部电路进行通信，ADS7870与MC68HCll型微处理器的接口原理如图4所示。ADS7870的串行接口主要有4个引脚：SCLK为串行位时钟，DIN为串行位数据输入，DOUT为串行位数据输出，CS为串行位片选信号。
4.2 ADS7870的串行软接口
图5所示是ADS7870输入通道数据处理程序框图，ADS7870与MC68HCll的串行软接口部分程序如下：
(1)ADS7870的接口初始化程序
INIt_ADS PSHX
PSHA
5 结束语
本文介绍了ADS7870型低功耗数据采集器件的特点及工作原理，讨论了由ADS7870与MC68HCll型嵌入式系统器件组成的多路数据采集系统串行接口的设计。ADS7870提供了完整的信号处理与转换的设计方法，是低功耗控制系统、智能传感器应用及通用仪表等领域的理想选择。
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