基于高精度AD芯片CS5524實(shí)現(xiàn)的溫度監(jiān)測(cè)

1、CS5524在溫度檢測(cè)技術(shù)中的研究與應(yīng)用作者：朱世宇單位：重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所摘要：CS5524是一種高精度4通道24位A-匯A/D轉(zhuǎn)換器芯片，它具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量量程調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于微弱信號(hào)采樣。本文詳細(xì)介紹了CS5524的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各寄存器的功能及設(shè)置方法，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明其在微弱信號(hào)采樣中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：CS5524A/D轉(zhuǎn)換溫度檢測(cè)。Abstract:TheCS5524isasinglepowersupplyoperationhighintegrated4channel24-bitA12ADconverterchip,whichhasadvantagesofstron

2、ganti-jammingabilityandwidemeasurementadjustingrangeanditfitstotheweaksignalsampling.ThispaperintroducestheinternalstructurefunctionsandsettingmethodoftheCS5524givestheexampleofitsapplicationinweaksignalsampling.Keywords:CS5524A/Dtemperaturemonitor0引言溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)中需要測(cè)量和控制的主要參數(shù)。溫度的測(cè)量

3、手段發(fā)展至今，已經(jīng)多種多樣，然而依然存在一些不足。因?yàn)闇囟仁俏矬w內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，所以要測(cè)量溫度，首先要將分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度轉(zhuǎn)換成體積、電阻值、電流值、電壓值等，然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換等手段進(jìn)行量化，得到需要的溫度值。為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍和采樣過(guò)程中的抗干擾能力，本文設(shè)計(jì)了一種以CS5524作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的接觸式測(cè)溫系統(tǒng)。1電壓采集電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電路作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前級(jí)，首先將分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度轉(zhuǎn)換成電壓值,然后由A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5524對(duì)電壓進(jìn)行采樣。該電路采用了熱電阻CU50將溫度轉(zhuǎn)化為電阻值，然后通過(guò)橋?qū)㈦娮柚缔D(zhuǎn)換為電壓值。又因?yàn)殡娋W(wǎng)的頻率會(huì)有波動(dòng)，因此要求采樣

4、信號(hào)周期能夠隨著電網(wǎng)頻率的波動(dòng)而變化，故電路中測(cè)量出了電壓基波的頻率，并對(duì)基波頻率進(jìn)行頻率跟隨，如圖1所示。圖1電壓采集電路圖主控芯片在接到A/D轉(zhuǎn)換芯片給出的信號(hào)后，對(duì)A/D裝換芯片進(jìn)行配置使能，然后從A/D轉(zhuǎn)換芯片中讀取采樣碼值。2CS5524的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)CS5524是美國(guó)CRISTAL公司生產(chǎn)的高精度A/D芯片，是一種理想的4通道增益可編程的A/D轉(zhuǎn)換器。其采用匯-結(jié)構(gòu)，具有較高的輸入動(dòng)態(tài)范圍，共有25mV、55mV、100mV、IV、2.5V、5V等6個(gè)單/雙極性量程可選(帶雙緩沖)，并且內(nèi)帶驅(qū)動(dòng)泵，能以此產(chǎn)生小信號(hào)和負(fù)電壓信號(hào)白基準(zhǔn)電壓(-2.12.5V)。因?yàn)榫哂锌删幊痰墓δ?，還能

5、編程選擇通道，每個(gè)通道內(nèi)均帶有可讀寫的系統(tǒng)校驗(yàn)與自校驗(yàn)存儲(chǔ)器，且芯片運(yùn)行功率消耗僅5.5mWo非常適用于信號(hào)較弱、動(dòng)態(tài)范圍大、干擾嚴(yán)重的測(cè)量系統(tǒng)。CS5524采用24腳雙列直插封裝形式，如圖2。表1為各引腳名稱及功能說(shuō)明。ANALOGGROUNDagnd24.POSITIVEANALOGPOWERva+QaCS552323DIFFERENTIALANALOGINPUTAINl+3CS552422DIFFERENTIALANALOG1MPUT421DIFFERENTIALANALOGINPUTAIN3+5曲DIFFERENTIALANALOGINPUT商M3二619NEGATIVEBIASVOL

6、TAGENBV7ieLOGICOUTPUTA0|_B17CHARGEPUMPDRIVECPDg.16SERIALDATAINPUTSDlid15CHIPSELECTcslit14CRYSTALINxin121:3TJTJnJ1TJTJTJTJ1TJdTJVREF-AEN2-AIN4+AIN4-A1SCLKVD+DGNDSDOXOUTVOLTAGEREFERENCEINPUTVOLTAGEREFERENCEINPUTDIFFERENTIALANALOGINPUTDIFFERENTIALANALOGINPUTDIFFERENTIALANALOGINPUTDIFFERENTIALANALOGINPU

7、TLOGICOUTPUTSER汕LCLOCKINPUTPOSITIVEDIGITALPOWERDIGITALGROUNDSERFALDATAOUTCRYSTALOUT圖2芯片引腳排列圖表1各引腳名稱及其功能表弓I腳名功能弓1腳名功能AGND模擬地VREF+參考電壓正相VA+模擬電壓輸入VREF-參考電壓反相AIN1+通道一正相端AIN2+通道二正相端AIN1-通道一反相端AIN2-通道二反相端AIN3+通道三正相端AIN4+通道四正相端AIN3-通道三反相端AIN4-通道四反相端NBV負(fù)輸出腳A1邏輯輸出1A0邏輯輸出0腳SCLK時(shí)鐘輸入端CPD泵電壓輸出VD+數(shù)字電壓輸入SDI串行數(shù)據(jù)輸入D

8、GND數(shù)字地CS片選端SDO數(shù)據(jù)輸出端XIN晶振輸入XOUT晶振輸出CS5524內(nèi)含多路復(fù)用器、斬波穩(wěn)定放大器、24位匯-A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器、片內(nèi)校驗(yàn)電路以及若干存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)器主要有命令索引寄存器(CommanRegisterQuickReference)、配置寄存器(ConfigurationRegister)、通道配置寄存器(ChannelSetupRegisters)等。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3。VA+AGNDVREF+VREBGNDVD+AJN1+A1N1-AJN2+A1N2-AJM3+AIN掣AJM4+AIM-NBVMUXCS5524ShrjwnTnDifferential

9、4歷OrderMMulaEorControllerbSetupRegisters,&CPharknelScanLogicClockDataFIFOSGen,GaEibratiorRegistersSedaIPortInterfaceCSSCLKS口SDOCPDADA1XENXOUT圖3CS5524的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖命令索引寄存器是一個(gè)8位只寫寄存器，通過(guò)設(shè)置該寄存器的相應(yīng)位可以對(duì)其他五個(gè)寄存器進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。配置寄存器是一個(gè)24位可讀寫寄存器，用來(lái)設(shè)置放大器的斬波頻率、執(zhí)行DEF轉(zhuǎn)換邏輯通道的數(shù)目、軟件復(fù)位以及執(zhí)行轉(zhuǎn)換方式等；寄存器配置和功能詳見(jiàn)表GoA為復(fù)位后寄存器各位的取值；每個(gè)物理通

10、道有一個(gè)24位可讀寫通道設(shè)置寄存器，主要用來(lái)設(shè)置需要DEF轉(zhuǎn)換的物理通道號(hào)、量程、輸出字速率和信號(hào)極性。對(duì)通道設(shè)置寄存器進(jìn)行讀寫操作的命令字分別為是0DH0FH。另外，每個(gè)通道有24位可讀寫的偏移、增益寄存器以對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換FIFO的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移、增益校準(zhǔn)的操作控制。3軟件設(shè)計(jì)控制程序應(yīng)用IAREmbeddedWorkbench軟件編寫。程序包括CS5524芯片初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換二個(gè)部分。3.1時(shí)序邏輯在CS5524進(jìn)行讀/寫操作時(shí)需要遵循一定的時(shí)序邏輯如圖4、圖5所示。圖5輸出口與時(shí)鐘的時(shí)序邏輯圖t1、t2分別為時(shí)鐘的高、低電平，脈寬均為250ns；t3為片選后到時(shí)鐘上跳沿的最短時(shí)間為5

11、0ns；t4為數(shù)據(jù)置位后到時(shí)鐘上升沿的最短時(shí)間為50ns;t5為時(shí)鐘上升沿到數(shù)據(jù)鎖定的最短時(shí)間為100ns；t6為時(shí)鐘下降沿到片選退出的最短時(shí)間為100ns；t7為片選后到數(shù)據(jù)設(shè)置的最長(zhǎng)時(shí)間為150ns；t8為時(shí)鐘下降沿到下一個(gè)數(shù)據(jù)更新的最長(zhǎng)時(shí)間為150ns；如圖所示，當(dāng)片選腳拉低之后，才能對(duì)CS5524進(jìn)行讀寫。在進(jìn)行讀操作時(shí)，在SCLK端口給一個(gè)時(shí)鐘跳變，在SDO端口讀取數(shù)據(jù)的1位。在進(jìn)行寫操作時(shí)，在SDI端口寫入數(shù)據(jù)的1位，t3時(shí)間后在SCLK端口給一個(gè)時(shí)鐘跳變。每個(gè)過(guò)程的連續(xù)操作，即完成CS5524的讀寫功能。CS5524芯片振蕩器啟動(dòng)時(shí)間為500ms（外部晶振為32.768kHz）;

12、在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中，為了提高采樣頻率，將CS5524的外部震蕩輸入頻率從32.768KHZ,提高到了100KHz。使最高采樣頻率提高了3倍。3.2CS5524芯片初始化當(dāng)CS5524加電時(shí)，振蕩器開(kāi)始工作，且芯片內(nèi)的計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)結(jié)束前，芯片一直保持復(fù)位狀態(tài)，直到在計(jì)數(shù)2006個(gè)時(shí)鐘振蕩周期后，才能確定振蕩器完全穩(wěn)定。在這一計(jì)時(shí)周期內(nèi)，串口邏輯復(fù)位，配置寄存器的RV位被置'1',指示發(fā)生了一次有效的復(fù)位。復(fù)位后，片上寄存器如被設(shè)置為以下?tīng)顟B(tài)：配置寄存器置000040H,通道設(shè)置寄存器置000000H,偏移寄存器置000000H,增益寄存器置4000000H,則表明完成了一次有效

13、復(fù)位，轉(zhuǎn)換器處于命令模式，等待一個(gè)有效的命令。CS5524芯片在每次軟件復(fù)位或硬件復(fù)位后都會(huì)置為缺省值，在缺省值下，芯片均能正常工作。在初始上電后，雖然不對(duì)CS5524進(jìn)行軟件復(fù)位同樣可以完成轉(zhuǎn)換，但是其工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，因此在上電之初，必須對(duì)CS5524進(jìn)行軟件復(fù)位。進(jìn)行軟件復(fù)位時(shí)，應(yīng)向CS5524順序?qū)懭胧鍌€(gè)字節(jié)的#0xFFh和一個(gè)字節(jié)的#0xFEh。完成后，芯片將被強(qiáng)制工作于命令模式。表2各寄存器讀/寫配置索引表D7(MSB)D5D4D2DiDO-_CS2_CS1_CS0RSB2RSB1RSB0CBCS2CS1csoRMRSB2RSB1RS&OBITNAMEVALUEFUNCT

14、IOND7CommandBit,CB01Mustbelogic0forthgecommam-ds.Seetablebelow.D6-D4ChannelSeloctBits,我。GS2-CS0providetheaddressofoneoftheeightphysicalCSB2-CSB0111charnels.Thesebitsareusedtoaccessfliecalibrationregistersassociatedw巾hrespectivechannels.Mote:Thesetilsareignoredwh&nreadingthedataregister.口3Read-Wr

15、ite,RW01Writetoselectedregister.Readfromselectedregister.D2-D0RegisterSeleclBit000ReservedRSB2-RSB0001010011101110111OffsetRegisterGainRegistertkimfigurationRegisterChannelSet-upRegisters- registerisJ8-bilslongforCS5521/22- registeri596-bilslongforCS5523/24- registeris192-bitslongforCS5528ReservedRe

16、served如表2,向CS5524寫#0x03h進(jìn)入Confiquration寄存器寫模式，連續(xù)寫入#0x00h,#0x03h,#0x08h設(shè)置Confiquration寄存器使CS5524復(fù)位。再次寫#0x03h進(jìn)入Confiquration寄存器寫模式，連續(xù)寫入#0x00h,#0x03h,#0x00h,回到正常模式。寫#0x05h進(jìn)入ChannelSet-up寄存器寫模式，根據(jù)表3,對(duì)各通道進(jìn)行配置。表3各通道配置表BITNAMEVALUEFUNCTIOND23-022/LatchOutputs,A1-A0004RLatchOutputPmsAl-ADmimicD23/D11'D2

17、2/D1Dregisterbits.DlhDlOD21-D19/ChannelSelect,CS2-00。RSelectphysicalchannel1(Alldevices)D9-D7CSO001Selectphysicalchannel2(Alldevices)Qt。Selectphysicalchannel3(CS5523/24/2Bonly)011Selectphysicalchannel4(CS5523/2J28only)100Selectphysicalchannel5(CS5528only)101Selectphysicalchannel6(CS5528only)110Selec

18、tphysicalchannel7(CS5S28only)111SelectphysicalchannelB(CS5528only)D18-D16/VtordRate,WR2-WR0000R15.0Spa(2180XINcycles).D6-D400130.0Sps(1092XIhicycles).01061.&Sps(532XINcycles).01184.5Sps(383XINcycles).wo101.1Sps334XINcycles).101i.B&Sps(17444XINcycles.1103.76Sps(3724XINcycles).1117.51Sps(4364X

19、INcycles).DI5-013/GainBits,G2-0ODOR100mV(assumesVREFDiffar&ntial=2.5V)D3-D100155mV01025mV0111.0V1005.0V1012.5V110Molused.111Nbtused.口12mUnipolar/Bipolar.IJ，1B0FtBipolarmaasurementniiQdg.1Unipolarm自asugrntaintmods.3.3模數(shù)轉(zhuǎn)換拉低片選腳，在發(fā)送轉(zhuǎn)換命令前，讀取SDO腳，當(dāng)其為高電平時(shí)，表示CS5524為空閑狀態(tài)，發(fā)送#0x80h（0通道）模數(shù)轉(zhuǎn)換命令。延時(shí)等待，直到SDO腳為

20、低電平時(shí)，再寫入#0x00h,清SDO標(biāo)志位。重復(fù)24次讀操作，獲取一個(gè)24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。拉高片選腳，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。/*/unsignedcharCommand_AD_Data(unsignedcharcommand)(unsignedchart,u;GPIOPinWrite(SPI_BASE,SPI_LATCH_PIN,0);SysCtlDelay(12);當(dāng)SDO腳為高電平時(shí)，才能發(fā)送命令t=250;u=GPIOPinRead(SPI_RXD_BASE,SPI_RXD_PIN0|SPI_RXD_PIN1|SPI_RXD_PIN2|SPI_RXD_PIN3);while(t&&(u!=0x0f)(SysCtlDelay(40);t-;u=GPIOPinRead(SPI_RXD_BASE,SPI_RXD_PIN0|SPI_RXD_PIN1|SPI_RXD_PIN2|SPI_RXD_PIN3);if(t>0)寫命令啟動(dòng)ADSend_AD_Byte(command);判斷SDO腳是否已經(jīng)降