14位A/DMAX194在ARM单片机系统中的设计

引言

        为了实现计算机的自动测量与控制，越来越多的领域采用了A/D转换技术。随着大规模集成电路芯片技术的发展，速度更快、精度更高、使用更方便的集成电路芯片层出不穷。本文介绍了一种笔者使用后取得良好效果的新型A/D转换芯片-MAX194。另外，由于32位处理器的价格不断下降，用户已可以大量使用，而32位RISC处理器则更是受到青睐，并将在某些领域替代原来的8位单片机。其中，ARM嵌入式微处理器系列处于领先地位。笔者所介绍的数据采集系统中采用的是PHILIPS公司生产的以ARM7处理器作为内核的LPC2104单片机。
    1    MAX194简介
        MAX194是MAXIM公司推出的一种逐次逼近型模数转换器(ADC)，具有高速、高精度、低功耗等特点。MAX194内部设有校准电路，用于保证全温度范围内的线性度，从而维持全量程内的高性能，且不需要外部的调整电路。分开的模拟和数字供电最大程度地减少了数字噪声耦合。MAX194的内部结构如图1所示，其主要特性如下：
   
    ◇ 14位分辨率，1／2LSB非线性度，82分贝的信噪比；
  ◇ A/D转换时间为9.4 μs；
  ◇ 低功耗，节电模式下仅为10 μA；
  ◇ 内置采样／保持器(T/H)；
  ◇ 单极性(0～VREF)或双极性(－VREF～VREF)输入；
  ◇ 3态串行接口输出；
  ◇ 与16位的A/D转换器MAX195引脚兼容、输出数据格式相同，便于升级。
    1．1    MAX194的主要引脚功能
    ◇ BP/UP/SHDN：三态输入选择端。0 V为关断，+5 V为单极性，浮空为双极性；
  ◇ CLK：转换时钟输入端；
  ◇ SCLK：串行时钟输入端。用于移出数据，可以与CLK异步；
  ◇ DOUT：串行数据输出端。高位先出；
  ◇ EOC：转换结束信号输出端。转换开始时上升，结束时下降；
  ◇ CS：片选输入端。当为低电平时允许三态数据输出；
  ◇ CONV：转换开始输入端。在波形的下降沿开始转换；
  ◇ RESET：复位输入端；
  ◇ REF：参考电压输入端；
  ◇ AIN：模拟量输入端。
    1．2    工作模式
      MAX194有两种接口模式。
    ◇ 同步模式：MAX194在转换过程中，每转换完成一个，数据位就输出一位。此时，SCLK应该接地，CLK既作为ADC的转换时钟又作为串行接口的移位输出时钟。
    ◇ 异步模式：单片机只能在MAX194完成一次转换之后才能将转换结果读出，然后再启动下一次转换。这种模式降低了MAX194连续转换的速度。
    1．3    硬件接口
        串行接口标准与SPITM、QSPITM兼容。MAX194在进行A/D转换时需要由外部提供时钟信号。图2是MAX194与单片机采用异步模式的硬件连接图。该图中，MAX194进行A/D转换所需的时钟信号由外部晶振分频得到。使用者也可根据需要由单片机提供该时钟信号。时钟信号的最大频率是1.7 MHz，参考电压的范围是0～VDDA+0.3 V。为了防止从AIN端输入的信号损坏ADC，应在信号输入端加电压限幅电路以保护MAX194。图3是其时序图。P3.0产生的START信号与CLK信号相“或”后作为启动转换的CONV信号。CONV的下降沿可以启动转换，开始转换后监测EOC，当它由高电平变低时说明转换已经结束，适当延时后就可以从串口读出转换结果，读数据的最高速率是4.19 Mbps。
   
   
  2    LPC2104芯片简介
        LPC2104 包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器进行接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线(AHB)以及用于连接片内外设的VLSI外设总线VPB与ARM7 高级外设总线相兼容的超集。主要特点有：128 K 片内Flash 程序存储器带ISP 和IAP 功能；Flash 编程时间1 ms；可编程512字节；扇区擦除和整片擦除只需400 ms；16 K 静态RAM；向量中断控制器；仿真跟踪模块支持实时跟踪；标准ARM 测试/调试接口兼容现有工具；双UART的其中一个带有完全的调制解调器接口；高速I2C 串行接口400 kB/s；SPI 串行接口；两个定时器分别具有4 路捕获／比较通道；多达6 路输出的PWM 单元；实时时钟；看门狗定时器；通用I/O 口；CPU 操作频率可达60 MHz。
    3    MAX194与LPC2104接口设计
    3．1    硬件接口
         MAX194和LPC2104都带有标准的SPI接口，可以非常方便地实现它们的硬件和软件接口。其硬件接口如图2所示。SPI 是一个全双工的串行接口，它被设计成用于处理在一个给定总线上多个互连的主机和从机。在一定数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个从机通信。在一次数据传输中，主机总是向从机发送一个字节数据，而从机也总是向主机发送一个字节数据。
  在该系统中，LPC2104设置为主机，MAX194设置为从机主机操作。
    3．1    软件实现
    软件的流程图如图4所示。主要分为三大部分。
   
    1、SPI配置部分：首先，配置LPC2104的SPI引脚模块；随后，设置SPI_SPCCR和SPI_SPCR，并将LPC2104的SPI模块设置为主模式，MSB(最高位)先传输，禁止SPI中断，SPI接口速率为1 MHz，CPOL=0、CPHA=0在SCLK下降沿触发。
    2、MAX194转换部分：通过向MAX194的CONV引脚发低脉冲启动A/D转换，转换开始后MAX194的EOC引脚变为高电平，可通过检测EOC引脚是否变为低电平来判断A/D转换的完成。
    3、MAX194数据读取部分：首先置低MAX194的CS片选引脚，将无效数据0XFF送至SPI_SPDR以启动SPI总线，通过判SPIF位的置位来判断SPI总线传输是否完成，读取SPI_SPDR后，获得A/D转换结果的第一个字节(BIT13-BIT6)并调整数据；将无效数据0XFF再送至SPI_SPDR，然后再启动SPI总线，仍通过判SPIF位的置位来判断SPI总线传输的完成情况，读取SPI_SPDR后，获得A/D转换结果的第二个字节(BIT13-BIT6)并调整数据，最后将MAX194 的14位A/D转换数据存储在16位无符号变量rcv_data中。
    #include “LPC2104.H”// 调用LPC2104寄存器头文件
  #define   MAX194_CS      0x00000100       // P0.8口为MAX194的片选和信号
  #define   MAX194_EOC  0x00000100       // P0.9口为MAX194的转换结束信号
  #define    MAX194_UP     0x00000400        //P0.10口为MAX194的三态选择信号
  #define MAX194_CONV 0x00000800       //P0.10口为MAX194的转换启动信号
  int  main（void）
  { uint16  rcv_data;            //存储A/D 转换后的14位数据的变量
   PINSEL0 = 0x00005500;            //设置SPI管脚连接
   PINSEL1 = 0x00000000;
  IODIR = MAX194_CS｜MAX194_UP|MAX194_CONV;// 设置P0.8,P0.10,P0.11为输出
  ……
  MSpiIni(  );                 // 初始化SPI接口
  MSendData(0xFF,rcv_data);      // 进行A/D转换病读取数据
   ……  
  }
  void  MSpiIni(void)
  { SPI_SPCCR = 0x0B;   // 设置SPI时钟分频, SPI时钟为1 MHz
  SPI_SPCR = 0x20;   // 设置SPI接口模式，MSTR=1，CPOL=0，CPHA=0，LSBF=0
  IOCLR = MAX194_UP;  //关断输入
  }
  uint8  MSendData(uint8 s_data,uint16 r_data)
  { uint32 temp;
           IOSET=Max194_UP;        // 打开输入
           IOCLR = MAX194_CONV;   // 启动转换
           Delay(10);                // 延时 10us
           IOSET = MAX194_CONV;
           do
           { temp=IOPIN;}
           while(temp&MAX194_EOC) ;   // 转换结束
           IOCLR = MAX194_CS;  // 片选
           SPI_SPDR = s_data;           // 发送数据0xFF
           while( 0==(SPI_SPSR&0x80) );  // 等待SPIF置位，即等待数据发送完毕
           r_data= (uint16)SPI_SPDR;     //读取第一个字节数据
           r_data&lt;<=6;                 //调整数据
           SPI_SPDR = s_data;           // 发送数据0xFF
           while( 0==(SPI_SPSR&0x80) );  // 等待SPIF置位，即等待数据发送完毕
           r_data= r_data|(SPI_SPDR>>2);  //读取第二个字节数据并调整
           IOSET = MAX194_CS;  
           IOCLR = MAX194_UP;        //关断输入
  }
    4    结束语
        在使用MAX194中应尽可能把数字地和模拟地分开。如果模拟电源和数字电源来自同一个电源，那么用一低值电阻(10 &Omega;)将数字电源和模拟电源隔离。MAX194内部的高速比较器对VDDA和VSSA的高频噪声很敏感，应该用0.1 &mu;F与1 &mu;F或10 &mu;F的并联电容将电源旁路接到模拟地。
        用于数据采集系统的A/D转换芯片有很多，新品更是层出不穷，数据采集的速度和精度等性能也在不断提高，在应用中不但应根据实际情况采用性价比较高的A/D转换芯片，而且应选用高性价比的处理器(如本文所选LPC2104)，这样才能提高整个系统的性能。