基于MAX132芯片的數據采集器的設計與實現

摘 要：在工業過程控制、醫療器械、電子稱及多媒體等許多應用場合中，對系統的速度、功耗及成本等性能的要求越來越高。為了滿足這些要求，迫使設計工程師進一步求助于數字電路、尤其是模數轉換器（ADC）--系統前端數據轉換部分的核心。MAX132是帶有串行接口的18位（帶符號位共19位）模數轉換器（ADC），它使用多斜度積分技術，與使用標準積分技術的ADC相比，它能在更短的時間內提供更高的轉換精度。MAX132每秒可轉換100次，很低的轉換噪聲保證了它的滿量程輸入范圍為512 mV。簡單的4線串行接口使之易于與普通微處理器連接。4個可編程的串行數字輸出端可用于控制外部多路開關或程控增益放大器。

關鍵詞：數據采集器 設計 實現

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：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。

低電源電流

60 μA（工作方式）

1 μA（休眠方式）

每秒轉換16次時，±0.006%FSR精度

低噪聲：15 μVRMS

轉換速率高達每秒100次

±10PA輸入電流

50 Hz/60 Hz頻率抑制

引腳排列、引腳說明

MAX132引腳排列和引腳說明分別見圖1和表1。

接口時序：

MAX132的接口時序圖如圖2所示。

2 系統設計

MAX132首先用固定的時間周期對輸入電壓進行積分，然后對一個已知的基準電壓反積分，并且測量到達零所需的時間。使積分時間等于50 Hz/60 Hz的一個周期，可獲得優質工頻干擾抑制。MAX132具有50 Hz/60Hz模式選擇位，可以分別置積分時間為655/545個時鐘周期，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）滿足以下關系：

分辨率（V/LSB）=VIN FS/262144

基準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換速度。32768HZ的晶體用于要求抗50 Hz/60 Hz的工頻干擾的場合。在這個頻率工作時，MAX132每秒轉換16次。對于不要求50 Hz/60 Hz工頻干擾抑制的應用場合，MAX132在降低精度的條件下，轉換速率可達每秒轉換100次。

3 實現

如圖3所示是設計的一款氣動測量儀表的數據采集部分與微處理器的原理框圖。傳感器輸出的信號，經多路開關（其控制端分別由P0、P1控制，最大可控制4路傳感器的信號）、放大（放大倍數分別由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端串行數據八位一組，在SCLK的每一個上升沿移入內部8位移位寄存器，然后在片選/CS信號的上升沿時刻，數據被鎖存到命令寄存器0或命令寄存器1。在SCLK的每一個下降沿，選中的輸出寄存器數據與時鐘同步輸出。D7位是第一個被移入的數據位，也是第一個被移出的數據位。在數據移出的同時，命令數據也被移入，因此，命令數據必須在前一個8位的讀寫周期中與時鐘同步輸入。表2定義了各寄存器的每一位的功能。圖4表示命令和數據的執行順序。

由表2可知，當輸入命令的D0位為0時，選擇的是命令寄存器0。D0位為1時，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的數據位D1和D2（RS1和RS0）決定了從數據總線上讀取的數據。即哪一個寄存器在下一個周期被讀出。D4位決定模擬電壓的輸入。當D4=1時，MAX132在內部將模擬信號輸入端短路，并在收到啟動轉換命令時，轉換零信號輸入，從而獲得讀零結果。在高精度測量時，要想獲得高精度的結果，必須將正常的轉換結果扣除讀零結果。D5位決定了芯片的工作方式。當D5位置“1”時，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，數據可被讀出。當睡眠方式結束時，模擬電路在下一次轉換開始之前，需要一定的穩定時間，通過分別寫入命令，并且在寫入一條啟動轉換命令以前等待一個以上的轉換周期時間，來滿足由睡眠狀態恢復到正常狀態所需要的穩定時間。當D5位置“0”時，MAX132處于正常的工作狀態。在使用32768 Hz的晶體時，當D6位被置為“0”時，積分次數是60 Hz的整數倍（32768 Hz/60Hz=546次）。當D6位被置為“1”時，積分次數是50Hz的整數倍（32768 Hz/50Hz=655次）。通過調整50 Hz/60 Hz的積分周期可以獲得最佳的交流抑制。D7為啟動轉換位。當啟動轉換為1時，啟動一次轉換。MAX132立即開始一次轉換，在轉換結束后停止，同時D7位回到零，然后再等待下一次啟動命令。

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位分別設置用戶可編程輸出端P0～P3的狀態。P0～P3的輸出狀態可用于控制外部多路選擇開關、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（B3～B10）轉換數據。EOC變高以后，新的數據有效。通過設置RS0和RS1都為“0”來訪問輸出寄存器0。（2）輸出寄存器1包含高字節（B11～B18）轉換數據。通過設置RS0=“1”和RS1=“0”來訪問輸出寄存器1。

輸出狀態寄存器：在狀態輸出寄存器中，D0、D1和D2分別為低三位數據B0、B1和B2的轉換結果。每次轉換結束后，這三位數據被更新，并且可以從狀態輸出寄存器讀回。D5位為積分位。在積分階段開始時，該位被置成“1”，在積分結束后，變成“0”。查詢該位的狀態，可以決定模擬輸入電壓可以變化而又不影響轉換結果的最早時間。D6為轉換結束狀態標志。轉換開始時，D6=“0”。轉換結束后，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據發生了變化。如果內部結果在/CS的下降沿被鎖存，那么可能產生沖突，使沖突位在/CS的下一次上升沿被置為1。在下一次轉換開始前，如果轉換的讀周期已經結束，沖突將不會發生。

4 結語

氣動測量技術由于其結構簡單、對環境適應性強、不接觸測量工件表面等特點。可以測量長度量、角度量、及表面形狀和位置誤差。易于實現非接觸測量，對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。對環境要求不高，不需要恒溫條件，對振動不敏感，不怕冷卻液、油污影響。特別適合工業現場參數的測量。傳統的氣動測量因測量間隙小，限制了其應用范圍。該文充分利用MAX132芯片的轉換精度和微處理器的數據處理功能，開發的大間隙氣動量儀拓展了氣動測量應用范圍。

參考文獻

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