在智能儀器儀表的應(yīng)用中，需要將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)微機(jī)的控制。數(shù)據(jù)采集是智能測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，其采集的數(shù)據(jù)和穩(wěn)定性對(duì)智能測(cè)試有重要的意義。測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的更高、功能更強(qiáng)、成本低廉、體積更小。AD公司的AD7705/06以及AD7707為比較典型的一種16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它集放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換單元于一體。而TI公司的DSP芯片TMS320C5402具有高速度、低功耗、功能強(qiáng)、接口方便等特點(diǎn)，是一款性價(jià)比較高的微處理器。

　　1  模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)本身不具有實(shí)際意義，僅僅表示一個(gè)相對(duì)大小。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。

　　AD7705是AD公司新推出的16位Σ-Δ A/D轉(zhuǎn)換器，能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口，有2個(gè)全差分輸入通道，能達(dá)到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式[2]。AD7705工作電壓為3 V或5 V。3 V電壓時(shí)，功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8 μA。

　　1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　圖1為AD7705內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。AD7705芯片是帶有自校正功能的Σ-Δ的A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部由多路模擬開關(guān)、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、Σ-Δ調(diào)制器、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓輸入、時(shí)鐘電路及串行接口組成。其中串行接口包括寄存器組，它由通信寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)輸出寄存器、零點(diǎn)校正寄存器和滿程校正寄存器等組成。

　　AD7705的PGA可通過指令設(shè)定，對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此，AD7705芯片既可接收從傳感器送來的低電平輸入信號(hào)，又可接收高電平信號(hào)。

　　1.2 片內(nèi)寄存器

　　寄存器是中央處理器內(nèi)的組成部分。寄存器是有限存貯容量的高速存貯部件，它們可用來暫存指令、數(shù)據(jù)和位址。在中央處理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）。在中央處理器的算術(shù)及邏輯部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。

　　程序計(jì)數(shù)器單片機(jī)及匯編語言中常稱作PC（program counter）。為了保證程序（在操作系統(tǒng)中理解為進(jìn)程）能夠連續(xù)地執(zhí)行下去，CPU必須具有某些手段來確定下一條指令的地址。而程序計(jì)數(shù)器正是起到這種作用，所以通常又稱為指令計(jì)數(shù)器。在程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即程序的一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入PC，因此程序計(jì)數(shù)器（PC）的內(nèi)容即是從內(nèi)存提取的條指令的地址。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU將自動(dòng)修改PC的內(nèi)容，即每執(zhí)行一條指令PC增加一個(gè)量，這個(gè)量等于指令所含的字節(jié)數(shù)，以便使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。

　　AD7705片內(nèi)包括8個(gè)寄存器，均通過器件串行口訪問。

　　（1）通信寄存器：它的內(nèi)容決定下操作是對(duì)哪一個(gè)寄存器進(jìn)行讀操作還是寫操作，并控制對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行采樣。所有與器件的通信都必須先寫通信寄存器。上電或復(fù)位后，器件默認(rèn)狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。通信寄存器各位的說明如表1所示，它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個(gè)寄存器，而輸入通道選擇位CH1、CH0則決定對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

　?。?）設(shè)置寄存器：是一個(gè)可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準(zhǔn)方式、增益等。

　　（3）時(shí)鐘寄存器：它也是一個(gè)可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)AD7705運(yùn)行頻率參數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換輸出更新速率。

　　（4）數(shù)據(jù)寄存器：是一個(gè)16位只讀寄存器，存放AD7705的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，數(shù)據(jù)手冊(cè)上雖然說明它是一個(gè)16位的寄存器，但實(shí)際上它是由2個(gè)8位的存儲(chǔ)單元組成的，輸出時(shí)MSB在前，如果接收微控制器則需要LSB在前，例如8051系列，讀取時(shí)應(yīng)該分2次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個(gè)16位倒序。

　　其他的寄存器分別是測(cè)試寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器、 滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等，用于測(cè)試和存放校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可用來分析噪聲和轉(zhuǎn)換誤差。

　　1.3 校準(zhǔn)功能

　　為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量，AD7705提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)2種功能選擇，向設(shè)置寄存器的MD1和MD0寫入相應(yīng)的值來選擇自校準(zhǔn)還是系統(tǒng)校準(zhǔn)。每當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變（如輸入通道切換）、增益或數(shù)字濾波器陷波頻率變動(dòng)、信號(hào)輸入范圍變化等任一項(xiàng)發(fā)生時(shí)，必須進(jìn)行1次校準(zhǔn)。對(duì)于自校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)過程在器件內(nèi)部1次完成。AD7705內(nèi)部設(shè)置AIN（+）端和AIN（－）端為相同的偏置電壓，以校準(zhǔn)零標(biāo)度。滿標(biāo)度校準(zhǔn)是在一個(gè)內(nèi)部產(chǎn)生的VREF電壓和選定的增益條件下進(jìn)行的。系統(tǒng)校準(zhǔn)則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。在選定的增益下，先后在外部給AIN（+）端施加零標(biāo)度電壓和滿標(biāo)度電壓，先校準(zhǔn)零標(biāo)度點(diǎn)，然后校準(zhǔn)滿標(biāo)度點(diǎn)。根據(jù)零標(biāo)度和滿標(biāo)度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的輸入輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的偏移和增益斜率，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

　　1.4  數(shù)字濾波和輸出更新速率

　　模擬信號(hào)由Σ-Δ調(diào)制器變換為占空比被模擬電壓調(diào)制（調(diào)寬）的數(shù)字脈沖串，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進(jìn)制碼并濾去噪聲，以完成A/D轉(zhuǎn)換。低通數(shù)字濾波器的振幅頻率特性如下：

　　式中，N為調(diào)制速率與輸出更新速率之比。

　　需要指出的是，器件產(chǎn)生的噪聲源主要來自半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲，PGA放大量和濾波器陷波頻率越低，則輸出的半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲越小，A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率越高。

　　2 信號(hào)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　AD7705靈活的串行接口使得其能與大多數(shù)微計(jì)算機(jī)和微處理器很容易地進(jìn)行接口，目前，用得多的是與單片機(jī)進(jìn)行接口。本系統(tǒng)是以DSP芯片TMS320C5402為微處理器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要是借助DSP的強(qiáng)大功能，使采集信號(hào)的后續(xù)處理（如轉(zhuǎn)換、顯示、打?。└臃奖恪?/P>

　　DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器， 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

　　根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn)：

　?。?） 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成乘法和加法。

　?。?） 程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。

　　（3） 片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問。

　　（4） 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。

　　（5） 快速的中斷處理和硬件I/O支持。

　　（6） 具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。

　?。?） 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。

　　（8） 支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。

　　2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　圖2為系統(tǒng)硬件接口電路，TMS320C5402作為主設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)并控制數(shù)據(jù)傳輸過程。TMS320C5402的McBSP串口工作在時(shí)鐘停止模式時(shí)與SPI協(xié)議兼容。McBSP可以作為SPI設(shè)備的主設(shè)備或者從設(shè)備，在這種模式下，接收時(shí)鐘信號(hào)BCLKR和接收幀同步信號(hào)BFSR將不進(jìn)行連接，因?yàn)樗鼈冊(cè)趦?nèi)部分別與BCLKX和BFSX相連接。

　　McBSP 是英文Multichannel Buffered Serial Port （多通道緩沖串行口）的縮寫

　　McBSP是TI公司生產(chǎn)的數(shù)字信號(hào)處理芯片的多通道緩沖串行口。McBSP是在標(biāo)準(zhǔn)串行接口的基礎(chǔ)之上對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展，因此，具有與標(biāo)準(zhǔn)串行接口相同的基本功能。

　　它可以和其他DSP器件、編碼器等其他串口器件通信。

　　AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)接口，其中片選輸入CS、串行時(shí)鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號(hào)輸出口用于指示什么時(shí)候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng)為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當(dāng)為高電平時(shí)，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。

　　2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要考慮以下4個(gè)方面：

　　（1）TMS320VC5402串口的初始化。首先將DSP串口0復(fù)位，再對(duì)串口0的寄存器進(jìn)行編程，使DSP串口工作在以下狀態(tài)：以SPI模式運(yùn)行，每幀1相，每相1個(gè)字，每字16位，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘?hào)和移位時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部產(chǎn)生。

　?。?）AD7705的初始化和配置。上電或復(fù)位后，器件默認(rèn)狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。它的寄存器選擇位RS2～RS0確定下次操作訪問哪一個(gè)寄存器，而輸入通道選擇位CH1、CH0則決定對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

　?。?）雖然AD7705的通信寄存器、時(shí)鐘寄存器都是8位的，數(shù)據(jù)寄存器是16位的，但訪問前面3個(gè)寄存器時(shí)可以將前后2次寫操作成功連接起來，使讀寫操作都是16位數(shù)據(jù)傳輸處理，這樣剛好與16位的TMS320C5402匹配。

　　綜合以上考慮，系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。程序代碼（這里只給出讀寫AD7705的程序代碼）如下：

　　STM     #3FFFH，IFR

　　STM     #2005H，DXR10     ；寫時(shí)鐘寄存器

　　IDLE    1

　　STM     #3FFFH，IFR

　　STM     #1070H，DXR10     ；寫設(shè)置寄存器

　　IDLE    1

　　WAIT： STM     #3FFFH，IFR

　　BC      WAIT，NBIO        ；等待BIO為零

　　STM     #3FFFH，IFR

　　STM     #0038H，DXR10    ；設(shè)置下次讀數(shù)據(jù)寄存器

　　IDLE    1

　　STM     #3FFFH，IFR

　　LDM     DRR10，A          讀數(shù)據(jù)寄存器；

　　結(jié)果存累加器A中

　　STM     #3FFFH，IFR

　　3 系統(tǒng)的制作與調(diào)試

　　AD7705的印制板電路必須按規(guī)格設(shè)計(jì)，以確保模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開并各自限定在電路板上的一定區(qū)域。利用接地平面將它們分開，可達(dá)到的屏蔽性能，并在一個(gè)地方將模擬和數(shù)字接地平面連接在一起，以避免出現(xiàn)接地環(huán)路；避免在元器件下面走數(shù)字線，否則會(huì)造成片內(nèi)噪聲成倍增加；AD7705的電源線應(yīng)足夠粗，以降低線路阻抗，減少電源供電的尖峰信號(hào)的影響；時(shí)鐘信號(hào)不能在模擬輸入信號(hào)附近通過，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間避免相互交叉；所有的模擬電源都用1個(gè)10 μF電容并聯(lián)1個(gè)0.1 μF的陶瓷電容器接地去耦。

　　在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，采用Sensym公司的BP01測(cè)壓計(jì)，壓力傳感器構(gòu)成半差動(dòng)電橋，在它的OUT+和OUT-端輸出1個(gè)差分輸出電壓。電橋的轉(zhuǎn)換系數(shù)為3 mV/V，電橋激勵(lì)電壓為5 V，因此傳感器的滿度輸出電壓為15 mV。電橋激勵(lì)電壓還用來為AD7705產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，因此，激勵(lì)電壓的變化不會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)的誤差。圖2中AD7705產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓為1.92 V，AD7705具有128的可編程增益時(shí)，AD7705的滿度輸入為15 mV。AD7705的第2個(gè)通道可以作為一個(gè)輔助通道測(cè)量另一個(gè)變化量，如溫度。

　　本文所介紹的高信號(hào)采集系統(tǒng)接口電路簡(jiǎn)單、編程方便，系統(tǒng)程序代碼已經(jīng)在CCS3.1開發(fā)環(huán)境上得到驗(yàn)證，并且將制作的AD7705板與DSP實(shí)驗(yàn)箱上的MS320C5402的McBSP串口連接，獲得成功地通信和數(shù)據(jù)采集。本信號(hào)采集系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。