CS5530_F1模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在拉力試驗機中的應(yīng)用研究

摘 要:拉力試驗機的測量部分要求采集的數(shù)據(jù)精度高，模/數(shù)轉(zhuǎn)換速度快，針對這一要求，介紹了一種用于數(shù)據(jù)采集的芯片CS5530_F1。通過分析它的性能特點，設(shè)計了CS5530_F1在數(shù)據(jù)采集中的硬件電路，重點研究了用CS5530_F1采集數(shù)據(jù)的編程方法。實驗證明，CS5530_F1采集的數(shù)據(jù)精度高，速度快，效果好。這里采用24位的數(shù)據(jù)采集芯片，大大提高了數(shù)據(jù)精度和轉(zhuǎn)換速度。

關(guān)鍵詞:拉力試驗機;數(shù)據(jù)采集;CS5530_F1;數(shù)/模轉(zhuǎn)換

中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)06-189-03

Application of A/D Converter CS5530_F1 in Studying Pulling Force Test Machine

CHEN Zhongmou，GAO Longqin

(Mechanical Engineering Institute，Yangzhou University，Yangzhou，225009，China)

Abstract:The collected data must be accurate，and analog to digital converts quickly，according to the measurement of pulling force test machine，it is recommended for dataacquisition chip of CS5530_F1.After analysing its functions，the hardware circuit of data acquisition is designed，the program is highly researched.It is proved that the data is accurate，quick，and very good.Using a 24 bits data acquisition chip，the accuracy and convertion speed are sthengthened.

Keywords:pulling force test machine;data acquisition;CS5530_F1;A/D conversion

拉力試驗機是通過拉伸來檢測金屬材料、非金屬材料、零部件、構(gòu)件的強度、剛度、彈性、塑性、韌性、延展性的基礎(chǔ)試驗裝置， 拉力試驗機所測定的試驗數(shù)據(jù)是從事工程設(shè)計和保證產(chǎn)品安全工作的依據(jù)。現(xiàn)代新型材料層出不窮，為了探索新型材料在各種復雜環(huán)境(高溫、高壓、真空、腐蝕等)下的具體參數(shù)，需要進行精確的抗拉強度試驗，以便得到較好的機械性能、工藝性能、結(jié)構(gòu)強度，從而控制產(chǎn)品的質(zhì)量。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的選取和合理使用對于提高拉力試驗機測量材料中力值性能、變形性能的精度至關(guān)重要。在進行拉力試驗機測控系統(tǒng)的課題研究中，使用了24位數(shù)據(jù)采集模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS5530_F1。

1 CS5530_F1簡介

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)為高精度，24 位數(shù)據(jù)輸出，0.0015%非線性誤差;Δ-Σ模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，噪聲小，抗干擾能力強;三線制串行接口，可靈活與微處理機或SPI連接;內(nèi)設(shè)濾波器和程控放大器，其放大器增益為64，可直接連接力值傳感器或應(yīng)變傳感器;字節(jié)傳輸速率從6.25～3 840 S/s;電源供電50或60 Hz，分別有三種供電方式:VA+=5V，VA-=0 V，VD+為3~5 V;VA+=2.5 V，VA-=-2.5 V，VD+為3~5 V;VA+=3 V，VA-=-3 V，VD+=3 V;參考電壓VREF最高不超過模擬電壓VA;內(nèi)設(shè)偏移、增益標定寄存器。

1.2 外部管腳性能

CS5530_F1為20 腳DIP 封裝，引腳排列見圖1 。

圖1 CS5530_F1外部管腳圖

AIN1+，AIN1-為差分模擬信號輸入端;C1，C2為內(nèi)部測量放大器外接電容端;VA+，VA-為正負模擬電源端;A1，A0為外部通道開關(guān)選擇線;OSC1，OSC2為外部時鐘晶振連接端;SCLK為串行時鐘輸入端;SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端;SDI為串行數(shù)據(jù)輸入端;CS為片選信號端，低電平有效;VD+為正數(shù)字電源端;DGND為數(shù)字信號地;VREF+，VREF-為差分參考輸入端;NC為空端。

1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能

CS5530_F1內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，芯片內(nèi)共有命令、功能設(shè)置、偏移、增益、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等五個寄存器。

圖2 CS5530_F1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

命令寄存器為8 位，可讀/寫。每次對CS5530_F1的訪問都必須先向此寄存器寫入命令字。寫入的命令字決定下一步操作是針對偏移、增益、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、功能設(shè)置中哪一個寄存器，是讀操作還是寫操作。通過該寄存器還可以完成偏移、增益的標定，發(fā)送初始化所需要的脈沖序列。功能設(shè)置寄存器為32位，可讀/寫。該寄存器功能強大，負責A/D各種模式的設(shè)置。對其讀/寫必須先寫命令寄存器。偏移寄存器為32位，可讀/寫，芯片初始化時可完成數(shù)據(jù)偏移量的修正。增益寄存器為32位，可讀/寫，芯片初始化時完成模擬輸入數(shù)據(jù)增益的確定。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寄存器為32位，只讀，前24位為轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，后8位為數(shù)據(jù)溢出標志。

2 CS5530_F1在拉力試驗機中的應(yīng)用

2.1 硬件電路

拉力試驗機采用上、下位機結(jié)構(gòu)，上位機采用PC機進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。下位機采用單片機進行力值、形變位移數(shù)據(jù)的實時采集及電機的正反轉(zhuǎn)速度控制，單片機與PC機之間采用RS 232通信。CS5530_F1負責載荷力和試樣變形量的智能化A/D采樣，要求具有比較強的實時數(shù)據(jù)采集能力，數(shù)據(jù)精確可靠。CS5530_F1與力值傳感器有三種接法:0～5 V，-2.5～+2.5 V，-3～+3 V，每一種接法都有對應(yīng)的參考電壓VREF。為了消除輸入干擾信號，在兩個差分輸入端接有RC濾波元件。由于CS5530_F1是串行A/D，與微處理機接口十分方便。CS5530_F1與Intel52系列單片機的接法如圖3所示，只需三線連接。時鐘信號由程序產(chǎn)生，P1.7口當I/O口使用。

用圖3的連接方式，在程序編寫中要注意讀/寫的時序。寫寄存器時，先寫入8位寫命令字，跟隨8個時鐘脈沖;然后再寫入32位數(shù)據(jù)，跟隨32個時鐘脈沖。讀寄存器時，先寫入8位讀命令字，此時輸出數(shù)據(jù)線SDO為高電平，然后再讀入32位數(shù)據(jù)。讀/寫數(shù)據(jù)都是高位在前，特別是在讀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寄存器時，先寫入8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式，此時輸出線SDO為高電平;再將輸出線SDO拉低，輸入線SDI保持8個時鐘低電平，然后讀出32位數(shù)據(jù)。CS5530_F1的基本讀/寫時序如圖4所示。時鐘信號SCLK 在片選信號CS為低電平時才能控制串口數(shù)據(jù)的進出，片選信號CS為高電平時輸出線SDO為高阻狀態(tài)。

圖3 CS5530_F1實際應(yīng)用硬件圖

圖4 CS5530_F1基本讀寫時序

2.2 軟件程序

CS5530_F1采集數(shù)據(jù)程序如圖5所示。

圖5 CS5530_F1采集數(shù)據(jù)程序流程圖

CS5530_F1沒有上電復位功能，這一點特別要注意，只能通過設(shè)置寄存器進行軟件復位，復位分命令方式和設(shè)置方式兩種。用命令方式復位至少要發(fā)送15個SYNC1命令字(0XFF)，一個SYNC0命令字(0XFE)。用設(shè)置方式復位，先要向設(shè)置寄存器RS位(Reset System)寫1，此時復位標志位RV(Reset Valid)被置1;等待8個SCLKS再向RS位寫0，注意通過讀設(shè)置寄存器方能使復位標志位RV被清零。復位工作完成后，才能進行其他寄存器的讀/寫操作。CS5530_F1復位完成后，通過軟件程序設(shè)置內(nèi)部偏移、增益、方式等各寄存器的初始值，先寫進入各寄存器的命令字，再寫32位初始值。完成初始化工作后，CS5530_F1開始工作，但為了采集數(shù)據(jù)的準確性，必須通過編程完成數(shù)據(jù)偏移和數(shù)據(jù)增益的標定工作，這樣讀出來的數(shù)據(jù)才不會有錯誤。標定程序則通過命令寄存器寫入標定命令字即可。

所有準備工作完成后，才能進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換方能讀入單片機。A/D轉(zhuǎn)換方式有兩種，單個轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換，通過寫命令寄存器來完成這一程序。最后通過讀程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)存儲起來，在編寫讀程序時，先寫入8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式命令字，注意必須等待8個SCLKS后才能讀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換寄存器，否則讀出來的數(shù)據(jù)會有差錯。遵循上述思路，編寫CS5530_F1在拉力試驗機數(shù)據(jù)采集中的程序框架如下，采用Franklin-C51編譯器支持的擴展C語言進行編寫 。

/* 主程序 */

void main( )

{ void CommandMode(void) /*命令方式復位程序 */

void ResetADC(void)/* 設(shè)置方式復位程序 */

void InitAdcForce(void) /* 初始化程序 */

void Calibration(void) /* 數(shù)據(jù)偏移、數(shù)據(jù)增益標定程序 */

void Start_AD_CC(void) /* 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換啟動程序 */

void Read_AD_SC(void) } /* 讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)程序 */

/* 復位程序 */

void CommandMode(void)

{ idata int i;

SDI=1;

for(i=0;i<255;i++)

{ SCLK=1;

SCLK=0; }

SDI=0;

SCLK=1;

SCLK=0; }

void ResetADC(void)

{ /* 寫設(shè)置方式寄存器使RS=1 */

/* 寫設(shè)置方式寄存器使RS=0 */

/* 讀設(shè)置方式寄存器使RV被清零 */

}…

/* 讀數(shù)據(jù)程序 */

void Read_AD_SC(void)

{ idata int i;

do {{

}while(0!=SDO);

SDI=0;

SCLK =1;

for (i=0;i<8;i++)

{ SCLK=1;

SCLK=0; }

ReadDataReg( );/* 讀32位輸出數(shù)據(jù)*/ }

/* 讀8位串口輸出數(shù)據(jù)*/

uchar ReadByte(void)

{ bit bData;

uchar ucLoop;

uchar ucData=0x00;

for(ucLoop=0;ucLoop<8;ucLoop++)

{bData=SDO;

ucData<<=1;

if(bData)

{ucData=ucData+0x01;}

SCLK=1;

SCLK=0; }

return (ucData); }

/* 寫8位串口輸入數(shù)據(jù)*/

void WriteByte(uchar ucData)

{ uchar ucLoop;

SCLK=0;

for(ucLoop=0;ucLoop<8;ucLoop++)

{if((ucData0x80)==0)

SDI=0;

Else

SDI=1;

ucData<<=1;

SCLK=1;

SCLK=0; }

}

3 結(jié) 語

實驗結(jié)果證明，CS5530_F1作為一種24位高精度、快速度A/D轉(zhuǎn)換器，在研究拉力試驗機的測控系統(tǒng)中取得了較好的效果。

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