《電子技術(shù)應用》
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DS2450 A/D轉(zhuǎn)換器的特性與應用

2009-02-24
作者:耿建平 陳尚松

  摘 要: 簡介了DS2450 A/D轉(zhuǎn)換器的主要特性、工作原理、單總線協(xié)議及其設置方法,并具體介紹了DS2450在工程應用中與計算機的接口技術(shù)和軟件編制特點。
  關鍵詞: DS2450 A/D轉(zhuǎn)換器 單總線技術(shù) 接口技術(shù)


  DS2450是美國達拉斯(Dallas)半導體公司1999年新推出的符合單總線協(xié)議的四路A/D轉(zhuǎn)換器。每個輸入通道有各自的寄存器組來存儲輸入電壓的范圍、分辨率和報警門限值以及當輸入電壓偏離指定范圍時的使能標志。DS2450可與單片機端口的一個引腳(如P1.0)直接相連;也可與PC機的RS232串行口經(jīng)適配器轉(zhuǎn)換后相連,且可掛上多個DS2450,使用很方便。下面介紹DS2450的主要特性與工程應用。
1 DS2450主要特性
  · 用戶可編程設置輸入范圍(2.56V,5.12V)、分辨率(1~16位)和報警門限;
  · 單電源工作(5V);
  · 很低的功耗:工作時2.5mW,空閑時2.5μW;
  · 內(nèi)置多點控制器允許在一條公共單總線上對多個DS2450識別和操作;
  · 響應模擬電壓超過報警門限時的條件查找;
  · 未用作模擬輸入的通道可用作閉環(huán)控制的漏極開路的數(shù)字輸出;
  · 直接與微處理器端口的一個引腳相連,并以16.3kbps的速率通信;
  · 超速模式下通信速率可達142kbps;
  · 片上16位CRC生成器能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性;
  · 出廠前激光刻錄和經(jīng)過測試的64位唯一注冊號(8位族碼+48位序列號+8位CRC校驗碼)能保證絕對的跟蹤能力,因為沒有兩個部分是相似的;
  · 8位族碼規(guī)定了器件與總線命令者通信的需求;
  · 工作溫度范圍從-40°C~+85°C;
  · 緊湊,低成本,8引腳SOIC表面安裝封裝。
2 引腳說明
  DS2450為8腳貼片式封裝,如圖1所示。


3 DS2450工作原理與設置
3.1 原理框圖

  DS2450單總線四路A/D轉(zhuǎn)換器是一個具有四選一多路轉(zhuǎn)換開關的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部組成原理框圖如圖2所示。


  圖2中上部是工作電源。器件通過單總線或者從VCC引腳取得功率。如果不用VCC供電,器件在單總線為高期間把能量儲存在一個內(nèi)部電容器上,并且在單總線為低期間繼續(xù)以“寄生”功率為動力工作,直到單總線為高時才補充寄生(電容器上)能量。這就提供了足夠的能量。要進行A/D轉(zhuǎn)換,需要將單總線強上拉到5V,或者使用VCC供電。中部4個方框是單總線協(xié)議控制和CRC校驗。每一個 DS2450出廠前用激光刻錄注冊號,此注冊號包含一個唯一的48位序列號、一個8位CRC校驗碼和一個8位族碼(20H)。DS2450的64位ROM部分不僅是器件絕對唯一的電子標識,而且是定位和尋址器件以實現(xiàn)控制功能的一種手段。CRC(Cyclic Redundancy Check)稱為循環(huán)冗余碼檢測,是數(shù)據(jù)通信中校驗數(shù)據(jù)傳輸是否正確的一種常用方法。下部3個方框是A/D轉(zhuǎn)換器及選通和控制電路。
3.2 單總線協(xié)議
  DS2450采用達拉斯公司數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯慰偩€協(xié)議。與DS2450的通信需要一根雙向線,典型地可以是單片機端口的一個引腳。單總線協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。單總線命令者首先必須發(fā)送七個ROM功能命令中的一個命令。七個ROM功能命令分別是:①讀ROM(讀取64位注冊號);②匹配ROM(總線上有多個DS2450時,尋址某個DS2450);③查找ROM(系統(tǒng)首次啟動后,需識別總線上各器件);④條件查找ROM(只查找輸入電壓超過設置的報警門限值的DS2450);⑤跳過ROM(總線上只有一個DS2450時,跳過讀ROM命令直接向器件發(fā)送命令,以節(jié)省時間);⑥超速跳過ROM(超速模式下跳過讀ROM命令);⑦超速匹配ROM(超速模式下尋址某個DS2450)。在成功執(zhí)行上述命令之一后,總線命令者可發(fā)送任何一個可使用的命令來訪問存儲和控制功能。所有數(shù)據(jù)的讀寫都是從最低位開始的。


3.3 器件存儲器
  DS2450所有的寄存器都映射到一個由相鄰24個字節(jié)組成的線性內(nèi)存范圍內(nèi),分為3頁,每頁8字節(jié)。第一頁叫做轉(zhuǎn)換讀出頁,內(nèi)部邏輯將轉(zhuǎn)換結(jié)果放在此內(nèi)存區(qū)域以讓總線命令者讀取。從通道A最低地址00開始,每個通道有一個16位的區(qū)域用來存放轉(zhuǎn)換結(jié)果,如表1所示。為節(jié)省篇幅,表1、表2、表3只列出了通道D。


  上電時轉(zhuǎn)換讀出寄存器缺省為全零。不管分辨率如何,轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位總是在同一位置。如果分辨率小于16位,轉(zhuǎn)換結(jié)果的低位將用零填充來產(chǎn)生一個16位結(jié)果。對于不需要四路模擬輸入的應用,應當將D作為第一個通道,C作為第二個通道,依次類推。這樣做的優(yōu)點是當讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時,可以較快地到達頁尾和讀取CRC16,并且可使單總線上的流量最小。
  通道控制和狀態(tài)信息存于第二頁,如表2所示。其第一字節(jié)的低四位控制A/D轉(zhuǎn)換位數(shù),如1111為15位。位5不起作用,始終為0。位6為輸出控制,OC為0該通道可以輸出。位7是輸出使能,OE為1表示通道可控。第二字節(jié)的位0選擇輸入電壓的范圍。當IR為0時,是2.55V。當IR為1時,是5.10V。位1不起作用,讀出總是0,且不能置為1。位2和位3分別是AEL(低限報警使能)和AEH(高限報警使能),控制器件是否將響應條件查找(見ROM功能)。位4和位5分別是報警標志AFL(低)和AFH(高),告訴總線命令者在上次轉(zhuǎn)換中輸入電壓是否超過了最低或最高門限。如果新的轉(zhuǎn)換不產(chǎn)生報警,那么這些標志將自動清除,也可不通過轉(zhuǎn)換而由總線命令者寫為0。位6讀出總是0,且不能置為1。位7為器件上電復位狀態(tài),當器件執(zhí)行上電復位周期時,POR自動置為1。如果該位為1,器件將總是響應條件查找命令,以便通知命令者控制和門限數(shù)據(jù)不再有效,但不會產(chǎn)生一個復位周期。上電完畢后,總線命令者需將POR位置為1。該過程可與恢復控制和門限數(shù)據(jù)一起進行。因為POR位與器件而不是具體通道有關,因此使用的是最近一次的設置值。上電時每個通道的控制/狀態(tài)數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)為08H,第二個字節(jié)為8CH。
  每個通道的報警門限電壓存于第三頁,見表3。低報警門限位于第一字節(jié),低報警門限上電時缺省為00H,高報警門限為FFH。報警設置總是8位。當分辨率大于或等于8位時,如果轉(zhuǎn)換結(jié)果比存儲在高報警寄存器(AFH)中的值大,或者比存儲在低報警寄存器(AFL)中的值小,那么就會設置報警標志。當分辨率低于8位時,忽略報警寄存器的最低位。
  地址18到1F為第四頁,工廠校準時使用該頁。用戶可以通過讀內(nèi)存和寫內(nèi)存命令來訪問該頁,該頁數(shù)據(jù)的改變會使DS2450校準失靈或者失去功能。如果DS2450由VCC供電,那么必須在上電完畢后向地址1C寫入十六進制40來使模擬電路永久地保持在工作狀態(tài)。
4 工程應用
  在單總線系統(tǒng)中,掛上DS2450A/D轉(zhuǎn)換器后,則可通過傳感器把各種物理量變?yōu)閿?shù)字經(jīng)單總線送計算機進行處理了。圖4展示了以PC機作控制時的氣象監(jiān)測系統(tǒng)的部分示意圖。圖5是以單片微機作控制時的環(huán)境測控系統(tǒng)的部分示意圖。

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5 軟件設計
  為保證數(shù)據(jù)可靠地傳送,任一時刻單總線上只能有一個控制信號或數(shù)據(jù)。進行數(shù)據(jù)通信時應符合單總線協(xié)議,計算機對某一測控對象操作時,一般有以下四個過程:(1)初始化信號;(2)傳送ROM命令;(3)傳送RAM命令;(4)數(shù)據(jù)交換。每次傳送的數(shù)據(jù)或命令是由一系列的時序信號組成的,單總線上共有四種時序信號:(1)初始化信號(復位信號);(2)寫0信號;(3)寫1信號;(4)讀信號。軟件設計時要產(chǎn)生這四種時序信號波形。
  在單總線系統(tǒng)中,軟件設計是技術(shù)的關鍵。簡潔的硬件配置是靠復雜的軟件來支撐的。隨著主控計算機的不同,可分為PC機控制和單片機控制兩種情況。
5.1 PC機控制
  在這種情況下,使用達拉斯公司授權(quán)軟件開發(fā)商(ASDs)的TMEX套裝軟件開發(fā)工具來進行軟件設計。上述四種時序信號波形程序已包含在TMEX中,編程時可直接調(diào)用。TMEX其實是一些動態(tài)鏈接庫,提供了對單總線芯片進行訪問和控制的函數(shù),它支持Microsoft Windows及DOS的各種軟件平臺,可采用C、C++、Borland Delphi、Microsoft Access和Visual Basic等可視化編程語言來開發(fā);還支持DS9097U通用串行口轉(zhuǎn)換器、DS9097、DS9087E及“真正”接地串行口轉(zhuǎn)換器和DS1410E、DS1410D并行轉(zhuǎn)換口。因此,可以設計精美、生動的界面,既可看到監(jiān)控系統(tǒng)的總布局圖,又可查看某個監(jiān)控現(xiàn)場的狀態(tài)數(shù)據(jù)和指示信號,達到了現(xiàn)代化、自動化的管理水平。
5.2 單片機控制
  在這種情況下,要采用單片機的匯編語言編程。根據(jù)單總線協(xié)議的規(guī)定,要編寫產(chǎn)生上述的四種時序信號波形的程序,手冊中對這四種波形參數(shù)(如脈沖上升時間、寬度和間隙等)都作了具體的要求,設計中應保證指令執(zhí)行時間小于或等于時序信號中的最小時間。由于使用匯編語言編寫單總線的系統(tǒng)程序和具體的應用程序,相比之下,要比使用PC機控制麻煩多了。
參考文獻
1 Dallas. Products Data Book,1999(網(wǎng)絡版)
2 Dallas. Application Net Book,1999(網(wǎng)絡版)
3 吳江,陳尚松. 單總線技術(shù)在測控系統(tǒng)中的應用. 電測與儀表,1999(9)

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