基于MAX132芯片的數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在工業(yè)過程控制、醫(yī)療器械、電子稱及多媒體等許多應(yīng)用場(chǎng)合中，對(duì)系統(tǒng)的速度、功耗及成本等性能的要求越來(lái)越高。為了滿足這些要求，迫使設(shè)計(jì)工程師進(jìn)一步求助于數(shù)字電路、尤其是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）--系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分的核心。MAX132是帶有串行接口的18位（帶符號(hào)位共19位）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它使用多斜度積分技術(shù)，與使用標(biāo)準(zhǔn)積分技術(shù)的ADC相比，它能在更短的時(shí)間內(nèi)提供更高的轉(zhuǎn)換精度。MAX132每秒可轉(zhuǎn)換100次，很低的轉(zhuǎn)換噪聲保證了它的滿量程輸入范圍為512 mV。簡(jiǎn)單的4線串行接口使之易于與普通微處理器連接。4個(gè)可編程的串行數(shù)字輸出端可用于控制外部多路開關(guān)或程控增益放大器。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集器 設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0061-03

1 功能描述

MAX132具有高分辨率、小尺寸和低功耗等特點(diǎn)。

低電源電流

60 μA（工作方式）

1 μA（休眠方式）

每秒轉(zhuǎn)換16次時(shí)，±0.006%FSR精度

低噪聲：15 μVRMS

轉(zhuǎn)換速率高達(dá)每秒100次

±10PA輸入電流

50 Hz/60 Hz頻率抑制

引腳排列、引腳說(shuō)明

MAX132引腳排列和引腳說(shuō)明分別見圖1和表1。

接口時(shí)序：

MAX132的接口時(shí)序圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MAX132首先用固定的時(shí)間周期對(duì)輸入電壓進(jìn)行積分，然后對(duì)一個(gè)已知的基準(zhǔn)電壓反積分，并且測(cè)量到達(dá)零所需的時(shí)間。使積分時(shí)間等于50 Hz/60 Hz的一個(gè)周期，可獲得優(yōu)質(zhì)工頻干擾抑制。MAX132具有50 Hz/60Hz模式選擇位，可以分別置積分時(shí)間為655/545個(gè)時(shí)鐘周期，以便通過32768 Hz晶體得到50 Hz/60 Hz頻率抑制。

模擬差分輸入電壓是通過第14腳和第15腳（IN HI，IN LO）輸入。對(duì)于18位精度的MAX132，其分辨率與滿量程輸入電壓（VIN FS）滿足以下關(guān)系：

分辨率（V/LSB）=VIN FS/262144

基準(zhǔn)電壓的選擇取決于輸入電壓的范圍和工作模式（50 Hz/60 Hz）：

晶體的頻率決定了轉(zhuǎn)換速度。32768HZ的晶體用于要求抗50 Hz/60 Hz的工頻干擾的場(chǎng)合。在這個(gè)頻率工作時(shí)，MAX132每秒轉(zhuǎn)換16次。對(duì)于不要求50 Hz/60 Hz工頻干擾抑制的應(yīng)用場(chǎng)合，MAX132在降低精度的條件下，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每秒轉(zhuǎn)換100次。

3 實(shí)現(xiàn)

如圖3所示是設(shè)計(jì)的一款氣動(dòng)測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)采集部分與微處理器的原理框圖。傳感器輸出的信號(hào)，經(jīng)多路開關(guān)（其控制端分別由P0、P1控制，最大可控制4路傳感器的信號(hào)）、放大（放大倍數(shù)分別由P2、P3控制），放大到滿量程電壓為512 mV輸入至MAX132模擬電壓輸入端（INLO、MAX132的DIN端串行數(shù)據(jù)八位一組，在SCLK的每一個(gè)上升沿移入內(nèi)部8位移位寄存器，然后在片選/CS信號(hào)的上升沿時(shí)刻，數(shù)據(jù)被鎖存到命令寄存器0或命令寄存器1。在SCLK的每一個(gè)下降沿，選中的輸出寄存器數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步輸出。D7位是第一個(gè)被移入的數(shù)據(jù)位，也是第一個(gè)被移出的數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)移出的同時(shí)，命令數(shù)據(jù)也被移入，因此，命令數(shù)據(jù)必須在前一個(gè)8位的讀寫周期中與時(shí)鐘同步輸入。表2定義了各寄存器的每一位的功能。圖4表示命令和數(shù)據(jù)的執(zhí)行順序。

由表2可知，當(dāng)輸入命令的D0位為0時(shí)，選擇的是命令寄存器0。D0位為1時(shí)，選擇的是命令寄存器1。

命令輸入寄存器0：命令寄存器0的D0位總是0。命令寄存器0的數(shù)據(jù)位D1和D2（RS1和RS0）決定了從數(shù)據(jù)總線上讀取的數(shù)據(jù)。即哪一個(gè)寄存器在下一個(gè)周期被讀出。D4位決定模擬電壓的輸入。當(dāng)D4=1時(shí)，MAX132在內(nèi)部將模擬信號(hào)輸入端短路，并在收到啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令時(shí)，轉(zhuǎn)換零信號(hào)輸入，從而獲得讀零結(jié)果。在高精度測(cè)量時(shí)，要想獲得高精度的結(jié)果，必須將正常的轉(zhuǎn)換結(jié)果扣除讀零結(jié)果。D5位決定了芯片的工作方式。當(dāng)D5位置“1”時(shí)，MAX132芯片處于低功耗的睡眠方式。低功耗的睡眠方式從EOC=1開始。在睡眠方式，電源電流的典型值為1 μA，振蕩器停振，數(shù)據(jù)可被讀出。當(dāng)睡眠方式結(jié)束時(shí)，模擬電路在下一次轉(zhuǎn)換開始之前，需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，通過分別寫入命令，并且在寫入一條啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令以前等待一個(gè)以上的轉(zhuǎn)換周期時(shí)間，來(lái)滿足由睡眠狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)所需要的穩(wěn)定時(shí)間。當(dāng)D5位置“0”時(shí)，MAX132處于正常的工作狀態(tài)。在使用32768 Hz的晶體時(shí)，當(dāng)D6位被置為“0”時(shí)，積分次數(shù)是60 Hz的整數(shù)倍（32768 Hz/60Hz=546次）。當(dāng)D6位被置為“1”時(shí)，積分次數(shù)是50Hz的整數(shù)倍（32768 Hz/50Hz=655次）。通過調(diào)整50 Hz/60 Hz的積分周期可以獲得最佳的交流抑制。D7為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換為1時(shí)，啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。MAX132立即開始一次轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后停止，同時(shí)D7位回到零，然后再等待下一次啟動(dòng)命令。

命令輸入寄存器1：命令寄存器的D0位總是1。命令寄存器的D4～D7位分別設(shè)置用戶可編程輸出端P0～P3的狀態(tài)。P0～P3的輸出狀態(tài)可用于控制外部多路選擇開關(guān)、可編程增益放大器等。

輸出寄存器：（1）輸出寄存器0包含低字節(jié)（B3～B10）轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。EOC變高以后，新的數(shù)據(jù)有效。通過設(shè)置RS0和RS1都為“0”來(lái)訪問輸出寄存器0。（2）輸出寄存器1包含高字節(jié)（B11～B18）轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。通過設(shè)置RS0=“1”和RS1=“0”來(lái)訪問輸出寄存器1。

輸出狀態(tài)寄存器：在狀態(tài)輸出寄存器中，D0、D1和D2分別為低三位數(shù)據(jù)B0、B1和B2的轉(zhuǎn)換結(jié)果。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，這三位數(shù)據(jù)被更新，并且可以從狀態(tài)輸出寄存器讀回。D5位為積分位。在積分階段開始時(shí)，該位被置成“1”，在積分結(jié)束后，變成“0”。查詢?cè)撐坏臓顟B(tài)，可以決定模擬輸入電壓可以變化而又不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的最早時(shí)間。D6為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)標(biāo)志。轉(zhuǎn)換開始時(shí)，D6=“0”。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，D6=“1”。D7為沖突警告位。警告微處理器，在讀周期階段寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化。如果內(nèi)部結(jié)果在/CS的下降沿被鎖存，那么可能產(chǎn)生沖突，使沖突位在/CS的下一次上升沿被置為1。在下一次轉(zhuǎn)換開始前，如果轉(zhuǎn)換的讀周期已經(jīng)結(jié)束，沖突將不會(huì)發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)測(cè)量技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、不接觸測(cè)量工件表面等特點(diǎn)?？梢詼y(cè)量長(zhǎng)度量、角度量、及表面形狀和位置誤差。易于實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，對(duì)于不允許劃傷表面的零件及薄壁、軟金屬材料等易變形的零件特別適用。對(duì)環(huán)境要求不高，不需要恒溫條件，對(duì)振動(dòng)不敏感，不怕冷卻液、油污影響。特別適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量。傳統(tǒng)的氣動(dòng)測(cè)量因測(cè)量間隙小，限制了其應(yīng)用范圍。該文充分利用MAX132芯片的轉(zhuǎn)換精度和微處理器的數(shù)據(jù)處理功能，開發(fā)的大間隙氣動(dòng)量?jī)x拓展了氣動(dòng)測(cè)量應(yīng)用范圍。

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