LM12H458高集成度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS芯片的應(yīng)用

　　1　概述

　　LM12H458是高集成度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?DAS?芯片，它將采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換集成在一塊芯片內(nèi)，從而大大減少了外圍電路的設(shè)計(jì)。其8路模擬信號輸入既可作為單端輸入，又可兩兩組成差分輸入。器件內(nèi)部提供的一個(gè)2.5V參考電壓、8×48bit指令RAM和32×16bit的FIFO大大減小了微處理器的負(fù)擔(dān)。LM12H458的工作電壓為3～5.5V，功耗小于34mW，待命模式下的功耗只有50μW。此外，LM12H458還有如下主要性能：

　　●有三種工作模式：分別為帶符號的13位模式、帶符號的9位模式和看門狗模式;

　　●有8個(gè)模擬信號輸入通道，模擬信號可單端輸入，也可差分輸入;

　　●內(nèi)置采樣保持和2.5V參考電壓;

　　●內(nèi)含32×16bit的FIFO;

　　●采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率可編程;

　　●具有自校準(zhǔn)和診斷模式;

　　●帶有8位或16位數(shù)據(jù)總線。

　　2 引腳功能和功能說明

　　LM12H458的引腳功能如表1所列。圖1為其內(nèi)部功能框圖。LM12H458是一個(gè)多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其內(nèi)部的電荷重分配ADC采用電容梯形網(wǎng)絡(luò)代替普通的電阻梯形網(wǎng)絡(luò)，并使用逐步逼近寄存器的DAC使VREF-和VREF+之間產(chǎn)生一個(gè)中間電壓，該電壓與輸入的采樣電壓相比較可產(chǎn)生數(shù)字輸出的每一位，中間電壓的個(gè)數(shù)和比較的次數(shù)對應(yīng)于ADC的分辨率，通過校準(zhǔn)ADC中的電容網(wǎng)絡(luò)可校準(zhǔn)數(shù)字輸出的每一位精度。LM12H458有兩種不同的校準(zhǔn)模式：一種是補(bǔ)償偏移電壓或零誤差，在該模式下只測量一次偏移誤差，并依此建立修正系數(shù);另一種為修正偏移誤差和ADC線性誤差，稱為全校準(zhǔn)。將該模式下的偏移誤差測量八次，并取平均值即可建立修正系數(shù)。上述兩種模式的修正系數(shù)被存貯在內(nèi)部的偏移修正寄存器中。LM12H458的線性修正是通過修正內(nèi)部DAC的失配電容獲得的，在LM12H458內(nèi)部ROM中存有校準(zhǔn)算法，可對每一個(gè)電容校準(zhǔn)8次并取平均值，從而產(chǎn)生線性修正系數(shù)。一旦校準(zhǔn)后，內(nèi)部算術(shù)邏輯單元(ALU)即可使用偏移誤差修正系數(shù)和線性修正系數(shù)來修正每一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。看門狗模式用于監(jiān)控單端輸入或差分輸入信號的幅值。每個(gè)采樣信號都有上下兩個(gè)門限，輸入信號高于或低于某一門限值都會產(chǎn)生中斷。

　　表1 LM12H458的腳符號及功能

　　LM12H458是一個(gè)多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)部有28個(gè)16bit的寄存器，各個(gè)寄存器的功能如下：

　　配置寄存器是DAS的控制中心，可用于控制序列器的啟動和停止、復(fù)位RAM指針和標(biāo)志、設(shè)置待命狀態(tài)、校準(zhǔn)偏移和線性誤差、選擇RAM區(qū)等。

　　指令RAM分為三個(gè)區(qū)：指令區(qū)、門限1區(qū)、門限2區(qū)。每一條指令(48bit=3X16bit)分散在三個(gè)16比特字寬的RAM區(qū)中，三個(gè)區(qū)的選擇可由配置寄存器2bit的RAM指針來控制。指令區(qū)可設(shè)置通道的選擇、工作模式、采樣時(shí)間和循環(huán)位。其它兩個(gè)區(qū)用于設(shè)置上下門限值。DAS可從指令0連續(xù)執(zhí)行所有設(shè)置的指令，執(zhí)行的最后一條指令的循環(huán)位為1時(shí)，再返回到指令0。指令執(zhí)行期間，微處理器不能訪問指令RAM，只有處理器終止指令循環(huán)后才可訪問。

　　FIFO為只讀寄存器，可用于存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果。

　　中斷使能寄存器可使用戶激活8個(gè)中斷源，該寄存器的高字節(jié)與中斷1、2有關(guān)。

　　圖2 LM12H458與80C51的接口電路 點(diǎn)擊放大

　　中斷狀態(tài)寄存器和門限狀態(tài)寄存器用于指示DAS中斷源和輸入信號是否超過上門限或下門限。

　　定時(shí)寄存器用于設(shè)置指令執(zhí)行前的等待時(shí)間。而指令寄存器的bit9可使能或禁止插入等待時(shí)間。

　　LM12H458有8個(gè)中斷源，各中斷具有同等的優(yōu)先級別，中斷使能寄存器可使能或禁止相應(yīng)的中斷，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，中斷狀態(tài)寄存器相應(yīng)的位置1。各個(gè)中斷對應(yīng)的功能如下：

　　●INT0：模擬輸入信號在規(guī)定的門限值以外產(chǎn)生中斷。

　　●INT1：序列發(fā)生器執(zhí)行到某條指令時(shí)，該指令地址等于中斷使能寄存器中bit8～bit10設(shè)定的值時(shí)，產(chǎn)生中斷。

　　●INT2：A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在FIFO，當(dāng)FIFO中轉(zhuǎn)換結(jié)果的個(gè)數(shù)等于中斷使能寄存器比特11～15中設(shè)定的值時(shí)，產(chǎn)生中斷。

　　●INT3：完成單次采樣自動校準(zhǔn)后產(chǎn)生中斷。

　　●INT4：完成一次完整的自校準(zhǔn)后產(chǎn)生中斷。

　　●INT5：執(zhí)行時(shí)，指令暫停位為1時(shí)產(chǎn)生中斷。

　　●INT6：電源指示中斷，當(dāng)芯片供電電壓小于4V時(shí)，產(chǎn)生中斷。

　　●INT7：在從等待模式返回10ms后產(chǎn)生中斷。

　　圖3 編程流程圖 點(diǎn)擊放大

　　3　應(yīng)用

　　3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　LM12H458靈活的總線接口簡化了與多種微處理器的接口，它既可與8位處理器相連，又可方便地與16位微處理器相連。圖2為AT89C51與DAS的接口電路圖。該電路采用全地址譯碼方式來產(chǎn)生DAS的片選信號CS，其DAS映射的地址空間為0000-001F，數(shù)據(jù)總線寬度為8bit。圖中的74HC373用于鎖存低8位地址，而8bit幅度比較器則可用來對高8位地址進(jìn)行譯碼，通過比較地址與地址范圍所選擇的輸入邏輯可產(chǎn)生U5(74HC138)的選通信號，74HC138的Y0可作為DAS的片選信號。DAS的INT端口用于驅(qū)動AT80C51的中斷INT0，同時(shí)它還允許DAS請求中斷服務(wù)。

　　3.2 軟件編程

　　LM12H458雖然應(yīng)用靈活、廣泛，但基本的工作流程不變，圖3為其典型的編程流程。在處理器初始化后，應(yīng)向DAS寫入合適的指令以初始化DAS，以便設(shè)置采樣時(shí)間、工作模式、通道選擇等。完成一次全校準(zhǔn)需要4944個(gè)時(shí)鐘周期，若設(shè)置中斷使能，校準(zhǔn)后應(yīng)產(chǎn)生中斷以通知微處理器。全校準(zhǔn)會影響DAS的內(nèi)部標(biāo)志和指針，從而影響指令的執(zhí)行。因此校準(zhǔn)后必須復(fù)位。將配置寄存器的bit0設(shè)置為1可啟動序列器。流程圖中的p表示用戶定義的不同工作模式。圖3(a)為DAS的初始化和序列器的啟動流程，圖3(b)為中斷服務(wù)例程。當(dāng)進(jìn)入中斷服務(wù)后，配置寄存器的bit0應(yīng)清零以停止A/D轉(zhuǎn)換，然后處理中斷事務(wù)。

　　4　結(jié)論

　　LM12H458數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活，可廣泛用于數(shù)據(jù)記錄、測量儀器、慣性制導(dǎo)、過程控制、能源消耗管理等方面。由于篇幅所限，本文僅作簡單介紹，有關(guān)LM12H458的詳細(xì)技術(shù)資料可在National Semiconductor的網(wǎng)站上獲得。筆者已將LM12H458用于PI網(wǎng)絡(luò)石英晶體元件的測試系統(tǒng)中。使用證明：LM12H458的轉(zhuǎn)換精度很高，而且工作穩(wěn)定可靠。