24位高精度数据采集
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日期:2011年1月5日
24位高精度数据采集设计
一、课程设计内容
采用AD7710+MCU的方案设计出一个24位高精度数据采集系统并能通过串口将数据传输给PC机。
二、课程设计目的
1、熟悉利用图书馆和网络资源查阅资料。 2、学习24位高精度数据采集设计的方法。
3、通过此课程设计进一步的了解、掌握、和熟悉单片机开发的使用方法及汇编或者C语言的编程方法。
4、会将设计代码下载到8051芯片内部，并通过使用硬件设备验证设计的正确性。 5、学会制作电路板。
三、课程设计背景介绍
随着计算机技术的快速发展和普及，数据采集系统也迅速得到应用。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。数据采集技术是一项基本的实用性技术，它被广泛应用于图像处理、振动测试、语音信号分析和瞬态信号分析等众多领域。目前不同性能指标的通用或专用的数据采集系统，在各种领域中随处可见。
数据采集系统从广义上讲是一个数据信号收集装置、能够将被收集的信息（电信号）转换为一种统一标准格式的信号，然后进行存储、处理、交换（甚至用于控制某个执行机构）。被收集的数据信号通常是电学量，如电压、电流等，对其他物理量（如温度、压力等）的采集则是通过一种叫传感器的装置进行交换，使之成为电学量。信号的类型可以是模拟量、频率量、脉冲量、开关量等。
高精度数据采集系统比一般数据采集系统要复杂得多，需要考虑的因素比较多，不同技术指标之间往往湖湘影响、制约，是一个复杂的系统工程，需要用系统的思想来综合考虑。综合起来，其基本要点一般有以下几个大的方面：
A、对应用环境的深入调研 B、设计模拟通道
C、AD转换器件和电压基准源的选择哪个 D、系统控制及电路结构设计考虑 E、数据存储于数据通信问题 F、可靠性及低功耗问题的考虑
四、AD7710简介
4．1、AD7710工作原理
AD7710以一定的速率对模拟输入信号连续采样，采样速率受系统时钟的控制。采样信号经PGA放大，使其输出电平满足电荷平衡ADC的要求，然后转换成数字脉冲序列。该序列经数字滤波器处理后，以内部数字滤波器的一阶陷波频率确定的速率更新输出寄存器的数据。寄存器中的数据可以从双向串口随机读出。 4．2、AD7710管脚图及管脚说明
AD7710提供多种封装形式，其中24脚双排直插封装的引脚排列如下：
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图1 AD7710管脚图
其中各个管脚功能描述如下表：
SCLK：串口输人／输出时钟引脚。当MODE引脚接高电平时，SCLK输出串行时钟脉冲，器件工作在内部时钟模式；当MODE引脚接低电平时，SCLK作为输入引脚使用，器件工作在外部时钟模式。
MCLKIN，MCLKOUT：系统时钟信号。引脚分别接晶振的两端即可产生内部系统时钟。 A0：地址输入。低电平时，可以对控制寄存器进行读写操作；高电平时，可以对数据寄存器或校准寄存器进行读写操作。
/SYNC：同步信号。用于多个AD7710时的内部数字滤波器的同步。
MODE：模式选择。高电平时，处于内部时钟模式；低电平时，处于外部时钟模式。 ANl(+)，ANl(一)，AN2(+)，AN2(一)：双通道差分输入引脚。 Vss：模拟电压源负端。单电源工作时，与AGND引脚短接。 AVdd：模拟电压源正端。 Vbias：偏置电压输入引脚。
REFIN(+)，REFIN(一)：参考电压的正负输入引脚。 REF OUT：内部参考电压的输出引脚。
Iout：补偿电流输出引脚，可以通过控制寄存器关断或开启。 AGND：模拟地。
/TFS：发送帧同步信号，低电平有效。 /RFS：接收帧同步信号，低电平有效。
/DRDY：数据输出状态引脚。引脚输出的信号由高变低时，表明数据转换已经结束，等待输出。
SDATA：数据输入／输出引脚，引脚功能受TFS和 DVdd：数字电压源正端，接+5V。
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DGND：数字地。 4．3、AD7710控制寄存器
AD77l芯片内部有三个24位的寄存器，它们是命令控制寄存器、数据寄存器和校验寄存器。命令控制寄存器控制AD7710的滤波转折点、输入增益、通道选择、信号极性、校验方式、电源方式等参数的设置。校验奇存器得到AD7710的自校验结果。读写AD7710芯片寄存器由引脚A0的输入电平决定，当A0输人为低电平时，读写命令控制寄存器，否则读取数据寄存器和校验寄存器的结果。AD7710的命令控制寄存器控制字如下表： MD2 FS11 MD1 FS10 MD0 FS9 G2 FS8 G1 FS7 G0 FS6 CH FS5 PD FS4 WL FS3 IO FS2 BO FS1 B/U FS0 其中MD2，MD1，MD0为操作方式控制位，其含义如下表所示： 操作模式 MD2 MD1 MD0 操作模式说明 0 0 标准模式。这是芯片运行的标准模式，将 A0 置1，可对数字寄存器进行读操作。内部0 电源复位后寄存器的这几位将进入这一默认状态。 激活自校准模式。这种自校准模式由CH 控制。这是一步校准，当校准完成后，将回到标准模式。自校准完成后（非DRDY）将输出确认信号。在这种模式下，零量程校准可1 通过内部输入零电平信号实现，满量程校准可通过内部的VREF 实现。 激活系统校准模式。这种模式由CH 控制。这是两步校准，首先对选定的输入通道进行0 零量程校准，校准完成后，（/DRDY）将输出确认信号。第一步的最后将进入标准模式。 激活系统校准模式。这是系统校准模式的第二步，在模式中，系统对选定的输入通道进行满量程校准。校准完成后，（/DRDY）将再一次输出确认信号。完成后，将进入标准1 模式。 激活系统补偿校准模式。这种校准模式由 CH 控制。这是一步校准，当校准完成，将回到标准模式，同时由（/DRDY）输出确认信号。在这种模式下，零量程对选定的通道进0 行校准，满量程可通过内部的VREF 校准。 激活背景校准模式。这种校准模式由 CH 控制。如果这种模式打开，AD7710 将不断的对参考输入和零点平输入进行自校准。在转化过程将进入这种模式，它可以延长转化时间和降低传输速率。它的优势是当外界温度发生很大变化时，用户不用担心对芯片进行重校准。在这种模式中，零电平输入和VREF 以及模拟输入电压都将受到监视，并且，1 芯片的校准寄存器将能够自动更新。 读写零量程差分校准模式。读写零范围差分校准模式由CH 来选择通道。将A0 置1，可以对芯片进行读操作；将A0 置1，可以对芯片进行写操作。差分模式的读或写操作时数据长度为24 位，不考虑控制寄存器的WL 位。因此，向校准寄存器输入的数据必0 须是24 位的，否则数据将不能写进校准寄存器。 读写满量程差分校准模式。读写零范围差分校准模式由CH 来选择通道。将A0 置1，可以对芯片进行读操作；将A0 置1，可以对芯片进行写操作。差分模式的读或写操作时数据长度为24 位，不考虑控制寄存器的WL 位。因此，向校准寄存器输入的数据必1 须是24 位的，否则数据将不能写进校准寄存器。 表1 MD2，MD1，MD0位含义
G2．G1，G0为放大增益控制位，用于设置可编程增益放大器的增益因子。当芯片初始
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0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 复位后，G2=0，G1=0，GO=0，增益为1；G2，G1，G0与放大增益关系如下表：
G2 G1 G0 增益 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 备注 1 缺省方式，当电源复位后 2 4 8 16 32 64 128 表2 G2．C1．G0位含义
CH位决定物理通道的选择，当CH=0时选择通道1，否则选择通道2。
PD位为电源省电方式控制位，当PD=0为正常方式(缺省方式)，当PD=1时，芯片进入省电方式运作。
WL位为输出字长度控制位，控制AD转换的输出字节数。当WL=0时输出的AD结果位为16位，否则输出的AD结果位为24位。
IO位为输出电流补偿控制位，用于控制芯片20uA的补偿电流(可用于温度传感器的冷端补偿)。当IO=0时关闭20 uA的补偿电流输出(缺省方式)，否则输出20 uA的补偿电流。
BO位为Burn Out电流输出位，其含义与IO位相同。
B/U位为输入信号极性控制位，当输入信号为双极性信号时设置B／U位为0(缺省方式)，当输入信号为单极性信号时设置B／U位为1。
FS11—FS0位为滤波参数位。将12位数据写进FS11－FS0 中，可确定截止频率的大小，滤波器的第一陷波频率的位置和芯片的数据传送速率。如果考虑到它可确定增益大小，它还可以确定芯片的输出噪声（还有有用分辨率）。滤波器的第一陷波频率可用如下等式求得：滤波器的第一陷波频率＝（FCLK IN /512）/code（这里的code 指的是与FS0－FS11 相等的十进制数，范围时19－2000）。由于额定的fCLK IN等于10MHZ，因此滤波器的第一陷波频率的范围是9.76HZ－1.028kHZ。为了确保AD7710能正常运行，输入给FS0－FS11 的二进制数必须在规定的范围之内。 4．3、AD7710时序介绍
AD7710提供两种时钟模式。一种为自时钟模式，另外一种为外时钟模式。在本数据采集系统设计中，我们采用的是外时钟模式，故在此省略了自时钟模式时序介绍。下面重点介绍外时钟模式介绍。
从 MODE 脚输入低电平，AD7710将进入外部时钟模式。在这一模式中，AD7710 的SCLK成为输入端，外部时钟通过串连SCLK 脚向芯片提供时钟。在外部时钟模式下，可以进行同步数据传送（可用于微处理器如：80C51、87C51、68HC11、68HC05 和数字信号处理器）。
4．4．1、AD7710读操作
AD7710可以对输出寄存器、控制寄存器和校准寄存器进行读操作。读操作时序如下：
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