O 引 言
數(shù)據(jù)采集技術已廣泛應用于信號處理、通信、過程控制、遙感遙測等領域，各種高科技技術的發(fā)展對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度進一步加強。本文所介紹的就是一種高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在筆者的工作中已經(jīng)得到了充分的應用和試驗。
該系統(tǒng)采用的∑一△型A／D轉換器ADS1212它具有分辨率高，線性度好，抗干擾能力強(對噪聲的抑制能力不亞于雙積分ADC)，成本低等不可多得的優(yōu)點，恰好能滿足這種要求。
單片機采用SST公司8位微處理器FLAsH-Flex51系列成員SST89E564RD，它采用先進的Super-FLASH CMOS半導體技術設計和制造，是采用8051的指令集，并與標準的8051控制器管腳兼容，而且具有SPI端口，接口簡單，易于編程控制。
1 系統(tǒng)硬件設計
1．1 ADS1212的結構及特點
ADS1212芯片內(nèi)部由可編程增益放大器(PGA)、二階∑-△調(diào)制器、調(diào)制控制單元、可編程數(shù)字濾波器、微控制器單元、寄存器組(指令寄存器、命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、校準數(shù)據(jù)寄存器)和1個串行接口，1個時鐘電路，1個內(nèi)部2．5 V電壓基準等組成。
ADS1212是高精度、寬動態(tài)特性的∑-△型模擬／數(shù)字轉換器。它的差動輸入端可以直接與傳感器或微小的電壓信號相連。其內(nèi)部的∑-△結構可確保它的寬動態(tài)特性和24位的分辨率。
由于采用了低噪聲的輸入放大器，可以在轉換速度為10 Hz時獲得23位的有效分辨率；借助于其內(nèi)部獨特的調(diào)制器加速操作模式，在轉換速度為1 kHz時仍可達到20位的有效分辨率。該轉換器動態(tài)特性的大大提高主要依賴于其前級的低噪聲程控放大器，其放大倍數(shù)可從1～16進行設定，以2倍步長增加。該A／D轉換器都有一個靈活的同步串行接口，它與SPI兼容，并且可以提供雙線控制模式。該A／D轉換器為單一+5 V供電，有內(nèi)／外參考電壓和內(nèi)部自校準系統(tǒng)。
ADS1212主要用于工業(yè)過程控制、儀器儀表、色譜分析、靈巧傳感器、便攜式儀表、稱重儀器、壓力傳感器、高分辨率測量的場合。
1．2 SST單片機的結構及特點
系統(tǒng)采用SST89E564RD作為處理機，它是SST公司8位微處理器FLASHFlex51系列的成員，是采用先進的SuperFLASH CMOS半導體技術設計和制造，是采用8051的指令集，并與標準的8051控制器管腳兼容。
器件帶有72 KB的片內(nèi)FLASH E2PROM存儲器，使用了SST公司專利的CMOS Super_FLASH E2PROM技術，存儲器被分成兩塊獨立的程序存儲器，第一塊(BLCK0)占用64 KB的內(nèi)部程序存儲器空間，第二塊(BLOCK0)占用8 KB的內(nèi)部程序存儲器空間。8 KB的第二塊FLASH可以映射到64 KB空間的低地址，還可以被隱藏和當成類似E2PROM的獨立的數(shù)據(jù)存儲器。
1．3 SPI接口的特點
SST單片機的串行外設接口(Serial PeripheraI In-terface，SPI)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備，以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置 FLASHRAM、網(wǎng)絡控制器、LCD顯示驅動器、A／D轉換器和MCU等。該接口一般使用4條線：串行時鐘線(SCK)、主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線 MISO、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOST和低電平有效的從機選擇線SS。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，總體來說數(shù)據(jù)傳輸速度比I2C總線要快。
SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個主器件和一個或多個從器件，其接口包括以下四種信號：
(1)MOSI為主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入；
(2)MISO為主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出；
(3)SCLK為時鐘信號，由主器件產(chǎn)生；
(4)SS為從器件使能信號，由主器件控制。
1．4 ADS1212與SST89E564RD的接口電路
ADS1212與SST89E564RD的接口采用四線制通信方式，如圖1所示。ADS1212的DRDY與 SST89E564RD的INT1相連，即采用外部中斷方式讀取采樣數(shù)據(jù)結果。采樣數(shù)據(jù)由SDOUT輸出，命令數(shù)據(jù)由SDIO輸入，SCLK作為同步時鐘，同時SST89E564RD還留有2根口線與MAX232相連，在需要的時候可完成與計算機通信。根據(jù)采集需要，本系統(tǒng)將ADS1212設置為從動方式(即Slave方式)，同步信號輸入端DSYNC接高電平。
2 系統(tǒng)軟件設計
該系統(tǒng)軟件采用單片機高級語言C51編寫，C51是一種專為MCS-51系列單片機設計的高效率C語言編譯器。它具有編程方便易用的特點，能夠很方便地操作硬件接口地址，C51編譯器具有極高的編譯效率，編譯代碼可與匯編語言相媲美，而編程效率比匯編語言高很多，采用高級語言C51編程可以提高源程序的可讀性，便于以后的改進和升級。
軟件部分包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、串行口通信子程序。主程序的主要功能為系統(tǒng)初始化以及查詢各軟件標志，決定系統(tǒng)不同工作模式，執(zhí)行各功能模塊。
2．1 單片機SPI接口程序
單片機SPI接口程序主要包括SPI接口初始化，以及SPI數(shù)據(jù)輸入／輸出程序，SPI接口初始化主要是針對SPI控制寄存器(SPCR)進行相應設置的，SPI控制寄存器(SPCR)格式如下：
SPIE是SPI中斷使能位，當SPIE和ES同時置為“1”，則SPI中斷使能；
SPE是SPI使能位，“0”為不使能，“1”為使能；
DORD是數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蛭唬?ldquo;0”為從高位到低位，“1”為從低位到高位；
MSTR是主／從選擇位，“0”為從方式，“1”為主方式；
CPOL是時鐘極性位，“0”為時鐘高電平有效，“1”為時鐘低電平有效；
CPHA是時鐘相位控制位，“0”為時鐘上升沿左觸發(fā)，“1”為時鐘下降沿左觸發(fā)；
SPR0，SPR1是SPI時鐘頻率選擇位，控制SPI時鐘為單片機時鐘的幾分頻，如表1所示：
SPI接口初始化程序如下所示：
2．2 A／D數(shù)據(jù)采集程序
ADS1212內(nèi)部有5種功能寄存器。其中，指令寄存器(INSR)和命令寄存器(CMR)用于控制轉換器的操作。數(shù)據(jù)輸出寄存器(DOR)用于存放最新的轉換結果。零點校準寄存器(OCR)和滿量程寄存器(FCR)用于對轉換結果進行校準。
指令寄存器INSR是一個8位寄存器，對ADS1212的每一步操作都是從它開始的。具體格式如下：
R／W是讀寫控制位；“1”為讀操作，“0”為寫操作。
MB1MB0是欲讀寫的字節(jié)數(shù)。“00”～“11”對應“1”～“4”；
A3～A0是欲讀寫寄存器的地址。
命令寄存器CMR是一個32位寄存器，通過對它的操作可以設置ADS1212的各種工作模式，格式如下：
采樣精度同增益和加速因子的設置都有關系，具體如表3所示。這里需要指出的是。不能同時追求采樣速度和采樣精度，只有選取合適的速度和精度才能體現(xiàn)出該芯片的優(yōu)勢。
注：G=1，fXIN=1 MHz(fXIN是外部晶體振蕩囂頻率)
零點校準寄存器(OCR)和滿量程寄存器(FCR)用于對轉換結果進行校準。它們都是24位寄存器，可以在初始化中對其寫入，以便用于校準輸出數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)采集程序的流程圖如圖2所示。
如下是程序的部分片段：
數(shù)據(jù)輸出寄存器DOR為24位寄存器，用于存放最新的轉換結果。只有在DRDY信號為低時，DOR中的數(shù)據(jù)才有效。如果在(1／fDATA)-12 (1／fXIN)時間內(nèi)沒有讀出DOR中的數(shù)據(jù)，則它將會被新的數(shù)據(jù)所覆蓋。DOR中輸出的數(shù)據(jù)格式可以用補碼形式表示，如 “FFFFFFH～000000H～7FFFFFH”，表示“負最大量程～0～正最大量程”；也可以用原碼形式表示，如 “000000H～800000H～FFFFFFH”，表示“負最大量程～0～正最大量程”，這可用設置CMR3的DF位來實現(xiàn)。
3 結 語
采用ADS1212與SST89E564RD完成的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集速度快，精度高，還能將數(shù)據(jù)及時通過串口發(fā)送給上位機程序，且外圍電路簡單。因此，能用于較為復雜的系統(tǒng)開發(fā)，非常適用于工業(yè)控制、自動測試、儀器儀表、遠程通信等領域的數(shù)據(jù)采集與傳輸。