12位串行模/数转换器ADS1286在温度检测中的应用

    温度检测在工业测控领域中较为常见，一般工业用温度检测系统对检测精度都有很高的要求。利用高精度A／D转换芯片及单片机可以方便地构成测量精度高，性能稳定的温度检测系统。本文采用12位串行控制的A／D转换芯片ADS1286，配合AT89C2051单片机对温度检测系统中的温度采集部分进行设计。ADS1286的串行接口使得电路设计简单，减少了连线，提高了系统的可靠性；较高的分辨率保证了温度检测的高精度要求。

1 芯片介绍
    ADS1286是美国BURR—BROWN公司生产的12位微功耗A／D转换芯片，其供电电流仅为250μA，采样率为20 kHz，提供了一个用于两线或三线接口通信，并与SPI或SSI兼容的串行接口。微功耗以及串行接口的特点使得ADS1286非常适合于远距离及需要屏蔽的数据采集的应用场合。ADS1286采用8引脚小型DIP封装形式，VREF为参考电压输入端；+In为同相输入端；一In为反相输入端；GND为接地端；为片选端／低功耗模式选择，当该引脚出现低电平时，芯片片选有效，当该引脚为高电平时为低功耗模式；DOUT为串行数据输出端；DCLOCK为时钟输入端；+Vcc为电源正端(+6 V MAX)。ADS1286芯片内部结构如图1所示，由采样／保持差动放大器、电容数／模转换器CDAC、比较器、逐次逼近寄存器、控制电路及串行接口电路组成。串行接口包含2个数字输入端(DCLOCK和／SHDN)及1个三态输出口DOUT，构成了与微处理器进行串行通信的三线接口。

    ADS1286的工作时序如图2所示，上电后，端置于高电平，此时片选无效，DCLOCK端时钟信号输入被禁止，DOUT端呈现高阻状态。端电平发生由高到低的变化后，片选有效，A／D采样时序开始，经过延迟时间tCSD，时钟信号允许接入DCLOCK端，在片选有效后，从第二个时钟信号开始进入A／D转换时序，DOUT端脱离高阻状态，并在每个时钟信号的下降沿输出同步数字序列，在先输出一个无效位(NULL BIT)后，接下来的12个时钟信号每个信号的下降沿DOUT端从高位(MSB)开始输出12位A／D转换结果，并在每个时钟信号的上升沿锁存这12位A／D转换结果。12个时钟信号周期的转换时间结束后直至下一次／SHDN端电平出现由高到低的变化，ADS1286工作在低功耗模式下。

    图2(a)与图2(b)的不同之处在于，在DOUT端由高位到低位输出12位A／D转换结果后，若DCLOCK端仍然维持时钟信号，则DOUT端从次低位(LSB+1位)开始由低到高再次输出A／D转换结果，直到／SHDN端电平出现由低到高的变化时停止。若该次A／D转换结果完整输出后，DCLOCK端时钟信号仍然有效，则DOUT端输出低电平信号，此过程如图2(b)所示。
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2 温度采集部分硬件设计
    在温度检测系统中，为了采集目标对象的当前温度，采用测温范围宽，稳定性好的铂电阻作为测温元件，由铂电阻构成的惠斯通电桥将温度信号转换成微小电压信号后，再经仪表放大器进行放大，得到放大的模拟温度信号。为了能够对采集温度信号进行处理，需要先将采集放大后的模拟温度信号转换为数字信号，然后再送入单片机处理。本文采用12位分辨率的模／数转换芯片ADS1286对采集到的模拟温度信号进行A／D转换，以减小A／D转换的量化误差，ADS1286是在AT89C2051单片机发送的时钟信号的控制下，并在片选有效时，通过串行数据输出端向单片机提供12位串行温度数据。温度采集部分的原理框图如图3所示。

    温度采集电路如图4所示，由铂电阻Rt，电阻R1，R2，R3及可变电阻W1构成的惠斯通电桥用于测量目标的温度，铂电阻的阻值随温度变化发生相应的变化，惠斯通电桥也随之输出变化的电压。该输出电压较小，需将其接入如图4所示的AD620仪表放大器进行放，以满足A／D转换需要的输入电压范围。AD620仪表放大器具有低功耗，高增益的特点，通过调节外接可变电阻Rg的阻值改变放大倍数，其放大增益G=1+49．4 k／Rg。根据检测温度的范围，依次调节可变电阻W1及Rg，使得在最低和最高检测温度时，放大器输出分别为0和5 V，因此温度在检测范围内变化时，放大器可输出满足A／D转换需要的输入电压范围(0～5 V)。
    模拟温度信号采集放大后，其输出信号通过+In引脚接入ADS1286芯片进行A／D转换，ADS1286芯片+VCC引脚接正电源Vcc，VREF引脚接基准电源VREF，-In及GND引脚接地。ADS1286芯片的DCLOCK，DOUT及三个引脚分别与AT89C2051单片机P1．5～P1．3三个引脚输出相连，单片机通过程序由P1．5引脚输出ADS1286工作所需的时钟信号，单片机通过P1．3引脚可实现对ADS1286芯片的选中及低功耗模式的选择，该引脚输出低电平时，ADS1286片选有效，该引脚高电平时，ADS1286处于低功耗状态。AT89C2051严格按照ADS1286芯片操作时序，控制ADS1286芯片对模拟温度信号进行A／D转换，并将转换后的12位数字温度数据由DOUT引脚输出，通过P1．4引脚串行输入至单片机。
    温度采集电路中，开关电源产生的±15 V电压作为AD620仪表放大器的正、负电源，+15 V电压接入由TL431ALCP精密基准稳压器及电阻R4～R6构成的分路稳压器，其输出向外部提供精准电压，被用作惠斯通电桥的电源及ADS1286芯片的基准电源。
    AT89C2051单片机对ADS1286芯片的时序控制采用图2(b)所示操作时序。首先，通过P1．3引脚向端提供低电平，使ADS1286片选有效，ADS1286开始对模拟输入电压进行采样，经过延迟时间tCSD，AT89C2051通过P1．5引脚向DCLOCK端提供时钟信号。在ADS1286片选有效后，从第二个时钟信号开始进入A／D转换时序，此时，DOUT端先输出一个无效位，在接下来的11个时钟信号每个信号的下降沿在DOUT端从高位(MSB)开始输出A／D转换结果，在紧接着的12个时钟信号每个信号的下降沿DOUT端从LSB位开始再次输出这12位A／D转换结果，AT89C2051单片机在每个时钟信号的下降沿，通过P1．4引脚从低位到高位接收该次转换结果。在12位的数字温度数据接收完毕后，单片机通过P1．3引脚将端置为高电平并准备下一次从ADS1286接收A／D转换的温度数据。

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3 温度采集部分软件设计
    AT89C2051单片机对ADS1286芯片的12位A／D转换结果需要分2次读取，低8位转换结果存于片内RAM31H单元，高4位转换结果存于片内RAM32H单元。温度采集A／D转换子程序如下：
   
   
   

4 结语
    ADS1286是一款性价比很高的模／数转换芯片，将其应用于温度检测系统中，串行接口使得电路配置简单，而且其较高的分辨率减小了A／D转换的量化误差，保证了系统对温度检测的高精度要求。该芯片应用在气流式液相微萃取仪微型加热器的设计中，检测温度范围为0～350℃，微型加热器温度检测精度达到±0．1℃。正是由于ADS1286能简化电路设计，并且保证测量系统的高精度，它在智能化仪器仪表以及工业测控领域具有较高的实用价值。