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高精度微功耗数据采集系统设计与应用

时间:11-03 来源:EDNCHINA 点击:

16F84A作为处理机,它是Microchip公司生产的8位单片机。内部程序存储器是1K×14E2PROM,可重复电擦写; 13个可独立编程的双向I/O引脚,驱动能力强;含片内自振式看门狗;与51系列单片机相比具有同等晶振频率下速度快的特点,而且功耗极低,5V电压 4MHz晶振时小于2mA,在3V电压32kHz晶振时小于15μA。

系统采用MAX198作为多路开关,并配有MAX233,可以同计算机串口相连,将采样数据实时发送至计算机以便观测。为了降低功耗,本系统使用的 是外部基准电压源,即用ADR291作为2.5V基准电压输出,用REF196作为3.3V参考电压输入。这样可以使ADS1212的功耗降低约3mA。

2.1 电源电路

由于本系统采样精度高,所以电源电路的噪声必须特别小。本系统采用MAX666作+5V电压的稳压芯片,MAX664作-5V电压的稳压芯片。根据ADS1212的特殊要求设计的电源电路如图2所示。

2.2 信号输入电路

信号输入电路如图3所示。输入信号通过多路开关选择,然后经过跟随器输出,再通过电阻网络输入到模/数转换器的输入端。为了使系统的噪声对采样的影 响达到最小,ADS1212差分输入的负端接到2.5V基准电压处。这是因为ADS1212的输入端的输入电压不能大于电源电压,且不能小于零。输入信号 在-5V~+5V内变化时,通过计算可知AINP处的电压范围为1.25V~3.75V,2.5V对应的是零点,而AINN接2.5V电压基准,这样就实 现了对地信号的采样转换。

2.3 ADS1212与PIC16F84A的接口电路

ADS1212与PIC16F84A的接口采用四线制通信方式,如图4所示。ADS1212的DRDY与PIC16F84的RB0相连,即采用外部 中断方式读取采样数据结果。采样数据由SDOUT输出,命令数据由SDIO输入,SCLK作为同步时钟,同时PIC16F84A还留有两根口线与 MAX233相连,在需要的时候可完成与计算机通讯。根据采集需要,本系统将ADS1212设置为从动方式,(即Slave方式),片选端接地,而同步信 号输入端DSYNC接高电平。

本系统是一个水下弱磁信号的测量处理装置。软件主要包括系统复位初始化模块、A/D转换控制模块和数据处理模块。由于A/D转换控制模块和数据处理模块与具体应用密切相关,即于篇幅在此不作重点介绍。这里只介茹系统复位实始化模块。

系统复位初始化模块包括单片机端口初始化、ADS1212工作状态初始化等。笔者认为对于ADS1212的初始化完成后,应读出命令寄存器CMR中 的一些字节,与写入的数值进行比较,以确认是否初始化正确,本系统中就是读出CMR3进行比较的。这里需要指出的是,不能用读出CR2进行比较,因为 ADS1212的工作模式已经改变,比较肯定会发生错误。如下是软件复位程序片段:

START:CALL PORTINIT ;调用端口初始化子程序

MOVLW 64H ;WR_CMR=64H

MOVWF INSR

MOVLW 44H ;CMR3=22H(00100010B)双极性信号输入

MOVWF CMR3

MOVLW 14H ;CMR2=28H(00101000B,自校准模式,G=4)

MOVWF CMR2

MOVLW 1AH ;CMR1=58H(加速因子TMR=4)

MOVWF CMR1

MOVLW 96H ;CMR0=69H(DR=1869H,DATA RATE=10Hz)

MOVWF CMR0

CALL SPISCW

MOVLW 0E4H ;读CMR寄存器

MOVWF INSR

CALL SPISCRD ;通信是否正常

MOVF CMR3,0

XORLW 44H

BTFSS 3,2

GOTO START ;通信不正常,返回继续

CALL PSCONVT ;进行数据转换

采用ADS1212加PIC16F84A及微功耗基准ADR291、REF196,实现了高精度微功耗数据采集系统,系统工作电流为1.6~1.9mA,采样精度可达20位。信号输入电路采用差分输入,其负端接2.5V基准电压,有效降低了系统噪声对采样结果的影响。PIC16F84A具有微功耗的特点,但缺少通讯接口,通过软件成功开发了标准异步串型通讯接口。该系统已成功应用于水下弱磁信号的检测与处理。

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