高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器在壓力信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用★

陳亮 ，高國旺 ，馬認(rèn)琦 ，劉景超 ，張璽亮

（1 西安石油大學(xué) 光電油氣測井與檢測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710065；2 中海油能源發(fā)展有限公司 河北 天津300450）

0 引言

ADS1255模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣精度高，轉(zhuǎn)換速度快，接口簡單方便，芯片內(nèi)部集成可編程增益放大器和可編程數(shù)字濾波功能，是一款高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。適用于科學(xué)儀器、工藝控制、醫(yī)療設(shè)備與秤重設(shè)備等要求苛刻應(yīng)用領(lǐng)域。

1 芯片的硬件接口設(shè)計

壓力信號采集系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。電路板由傳感器和信號調(diào)理單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)控制和處理單元、存儲單元、時鐘和復(fù)位單元、串口通訊單元以及供電單元等組成。

圖1 壓力信號采集系統(tǒng)功能框圖

壓力傳感器接收來自流體的壓力信號并將壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號經(jīng)過放大和濾波后傳送到高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片的模擬信號輸入端。單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換芯片采樣，將模擬信號換算成數(shù)字信號。時鐘芯片為單片機(jī)提供時間。單片機(jī)將A/D轉(zhuǎn)換芯片采樣所得壓力信號存儲在存儲單元。通訊單元為單片機(jī)與PC或其他CPU通信提供接口。

主控芯片采用Microchip公司的PIC16F877，它是一款低功耗，高可靠性，硬件資源豐富的8位單片機(jī)。

高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用TI 的ADS1255。ADS1255是德州儀器Burr-Brown產(chǎn)品線推出針對工業(yè)應(yīng)用、具有業(yè)界最高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。其由模擬多路開關(guān)(MUX)、輸入緩沖器(BUF)，可編程增益放大散PGA)、四階0-E調(diào)制器再加一個數(shù)據(jù)速率以及多種功能，為設(shè)計人員提供了全套高精醫(yī)療設(shè)備與秤重設(shè)備等要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

ADS1255和PIC單片機(jī)的接口如圖2所示。PIC16F877的RB1引腳與ADS1255的14腳相連，當(dāng)RB1為低電平時就將芯片ADS1255選通，否則ADS1255處于不工作的低功耗狀態(tài)。當(dāng)ADS1255模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢時，ADS1255的15腳出現(xiàn)低電平，否則高電平。 PIC16F877通過檢測這個電平判斷是否轉(zhuǎn)換完畢，一旦檢測到轉(zhuǎn)換完畢PIC16F877就可以利用SPI總線（RC3、RC5、RC4）讀ADS1255內(nèi)轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。

圖2 ADS1255和PIC單片機(jī)的硬件接口

2 軟件流程設(shè)計

單片機(jī)對ADS1255的操作主要通過對ADS1255內(nèi)部4個獨(dú)立寄存器的設(shè)置來完成。4個主要寄存器有：狀態(tài)寄存器STATUS、模擬多路開關(guān)寄存器MUX，AD控制寄存器ADCON和數(shù)據(jù)速度寄存器DRATE。4個寄存器的地址和各bit位的功能如表1所示。

狀態(tài)寄存器的地址是十六進(jìn)制的00H，寄存器的高4位是代表芯片身份識別的編號，芯片出廠時廠家已設(shè)定。ORDER位為數(shù)據(jù)輸出順序選擇位，ACAL位為自動校準(zhǔn)選擇位，BUFFER位為輸入緩沖選擇位，DRDY位為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)狀態(tài)位，此位完全復(fù)制DRDY引腳的狀態(tài)。其他寄存器的地址和各bit位功能類似，具體情況參見TI的芯片手冊。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件流程圖

初始化包括單片機(jī)端口的初始化以及與SPI相關(guān)的寄存器的初始化。ADS1255的選通可以通過硬件將片選腳接地，也可以通過軟件選通。同理，ADS1255的復(fù)位也有兩種方式，將復(fù)位腳接地或者軟件復(fù)位。通過ADS1255的自校準(zhǔn)命令，可以糾正內(nèi)部和外部的漂移和增益錯誤；通過寫寄存器命令可以初始化狀態(tài)寄存器STATUS，選擇是否開啟輸入緩沖和輸出字節(jié)的順序。同理可以初始化模擬多路開關(guān)MUX，選擇模擬輸入通道；還可以初始化AD控制寄存器ADCON，選擇可編程放大倍數(shù)、是否開啟傳感器檢測和是否選擇時鐘輸出等；還可以初始化數(shù)據(jù)采樣速度寄存器DRATE，選擇采樣速度。如果沒有特殊要求，一般用ADS1255寄存器的默認(rèn)值即可完成基本的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

表1 4個主要寄存器的地址和功能

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計的系統(tǒng)通過了現(xiàn)場試驗(yàn)的測試。圖4是壓力信號采集系統(tǒng)在井下500m處采集的一段壓力脈沖波形。橫軸是時間，單位是秒，縱軸是壓力值單位是MPa。通過對比地面發(fā)送的壓力信號和井底采集到的壓力信號可以看出采集到的信號是正確的。壓力信號采集系統(tǒng)在井下工作穩(wěn)定可靠，采集了大量寶貴的有用數(shù)據(jù)，為下一步的分析和研究提供了依據(jù)。

圖4 接收并存儲的壓力脈沖波形

4 結(jié)束語

為了得到ADS1255最佳的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在應(yīng)用期間要特別注意該器件的外圍電路和印刷電路板設(shè)計。在模擬電源和數(shù)字電源的輸入端一般要并聯(lián)一個小的陶瓷電容和一個大的鉭電容或者陶瓷電容。特別注意要為VREFN和VREFP提供干凈的電源，電源必須具有極低的噪聲和溫漂，否則將會直接影響ADS1255的性能。在信號輸入端要采用如圖2所示的RC低通濾波器來限制高頻噪聲，輸入線越短越好。在接地方面推薦采用模擬電源和數(shù)字電源共地，但要注意旁路電容和模擬調(diào)整電路的應(yīng)用[1]。

[1]何建,胡焱,周超.24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255及其應(yīng)用[J].西南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2006 (05).

[2]金忠,章國寶.基于ADS1255的地震信息采集模塊設(shè)計[J].電子設(shè)計工程, 2009 (10).

[3]張磊.數(shù)字芯片ADC模塊的常見失效分析[J].電子測試, 2009 (03).

[4]李海真,孫運(yùn)強(qiáng),許鴻鷹.高精度多路溫度采集模塊硬件電路設(shè)計[J].電子測試, 2008 (12).

[5]劉鑒旭,姜寶鈞,鄧興成.高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1211[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2006 (S1).

[6]耿籍.高速ADC采集系統(tǒng)電路設(shè)計的考慮及分析[J].山西電子技術(shù), 2010 (01).

[7]郭斌,歐陽燁.微弱信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的探討[J].微計算機(jī)信息, 2008 (23).

[8]張金利,景占榮,梁亮,張玉瑞.微弱信號的調(diào)理電路設(shè)計和噪聲分析[J].電子測量技術(shù), 2007 (11).