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16位A/D转换器CS5521在双色红外信号检测中的应用 |
| 发布时间:2006年5月16日 点击次数:640 |
| 来源: 作者:北京航空航天大学电工电子中心 魏初舜 郑 红 吴 冠 |
摘 要： 针对红外信号传感器输出信号较弱且变化范围大的特点,介绍了一种基于16位A/D 转换器CS5521的可编程红外信号检测电路的设计方法。 关键词： CS5521A/D转换器 可编程增益放大器 红外信号检测 双色红外探测是一种高抗干扰的热源探测。由于热源温度高低、传播距离远近以及传播媒介等的不同,红外性能亦不同,所以红外传感器输出信号较弱且变化范围大(0.1μA～1mA)。因此,要求信号检测电路具有低噪声、低零漂、高抗噪及大范围增益可调等性能。这类电路一般由电流—电压转换模块、可编程增益放大模块和A/D转换模块组成。若将各部分用不同芯片来设计,电路不仅功耗大、体积大,而且参数调整和性能补偿都较复杂。如果选用美国Crystal公司推出的CS5521 A/D转换芯片,设计红外信号检测电路,可克服上述缺点。 CS5521芯片为２０脚PDIP或SSOP封装。其结构如图1所示,由多路复用器、20倍斩波稳定测量放大器,可编程增益放大器(PGA)、带有数字滤波器的16位Δ－Σ A/D转换器及片上校验电路(Calibration)和寄存器构成。 １．１ 主要性能 ·16位A/D转换精度。 ·串行接口。 ·6种缓冲单／双极输入范围：25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V。 ·转换数据FIFO(先入先出),最高输出频率为303Hz（此时接100kHz晶振）。 ·单电源＋5V模拟供电,＋5V或＋3V数字供电。 ·可按如图2(a)设计成自身提供负电源,在NBV端产生－1.8V～－2.5V的电压,从而使片上测量放大器能够测量≤±100mV 的以地为参考的双极性信号。 ·功耗：5.5mW １．２ 片内寄存器 ·8位只写指令(Command)寄存器用于存放供片内微处理器使用的指令。指令最高位为‘0’时,为读写其它寄存器指令;最高位为‘1’时,为启动A/D转换指令或校验指令。 ·24位可读写配置(Configure)寄存器用于设置斩波频率、逻辑通道数、多通道循环转换、负电源及软件复位。 ·24位×2可读写通道设置(Channel Setup)寄存器,用于设置各逻辑通道的输入范围、循环转换时的输出率及与其对应的物理通道号设置时用到配置寄存器中的逻辑通道数,所以此寄存器应在配置寄存器设置之后设置。 ·只读先入先出数据输出(fifo Data Output)寄存器组读数时先送8个脉冲用于清除SDO,后送24×N(循环逻辑通道数)个脉冲用于读数。24位数据的前16位是转换结果,后8位包含物理通道、振荡探测及输入界限检验等信息。 ·24位可读写增益(Gain)寄存器,每个物理通道各一个。用于存放校验所得的增益值。 ２ CS5521在红外信号检测中的应用 双色红外检测系统原理如图３所示,被测物体发出的红外波,经光学元件汇聚到红外探测器,红外探测器将红外光信号转换成电信号,再由检测电路处理得到目标的红外信息。 ２．１硬件电路 检测电路如图4所示。图中,双色红外探测器(inGaSn,Si)是电流源,两路信号电流分别经串接电阻R1、R2(或串接R1′、R2′)形成电压差,它们作为CS5521两通道的差分输入信号。电容C1、C2与电阻并联以抑制高频干扰。将ＮＢＶ端接地,在使用25mV、55mV、100mV 三个量程时,输入共模电压要在1.85V～2.65V之间,由LM385－2.5产生2.5V电压来满足。 ２．２ 软件实现 软件主要包括系统复位初始化模块、A/D转换控制模块、数值处理模块。因为A/D转换控制和数值处理与具体应用紧密相关,限于篇幅在此不作重点介绍。 初始化分为上电自动复位初始化、软件复位初始化和端口复位初始化。CS5521在上电区间会自动复位到一定状态。是否已正确复位可通过读取Configure寄存器的数据并测试其是否为000040H来判断（也可仅测试Configure 寄存器的RV位是否有效来判断,笔者认为,为可靠起见,应比较所有内容）。可将Configure 寄存器的RS位置″1″来实现软件复位。此时正确复位的标志是Configure 寄存器的内容为0000C0H。注意：软件复位后应将RS 位清零。端口复位强制CS5521进入命令接收状态,可用于错误处理。它由微处理器向CS5521连续发送15字节″11111111″,加一字节″11111110″来实现。 如下是软件复位程序片段： LCALL INITPORT;端口复位,进入命令状态。 MOV 20H,＃00000011B;＃00000011B为写 Configure寄存器命令字。 LCALL WCOMM; 发送写命令字,20H、21H、22H为命令／数据 缓存寄存器组。 MOV 20H,＃00110000B;置Configure寄存器内容。 MOV 21H,＃00010000B; MOV 22H,＃10000000B;22H单元第7bit为RS位,现为有效。 LCALL W24 ;写24位Configure寄存器。 LCALL DELAY1 ;延时＞复位时间(2006个时钟周期)。 MOV 20H,＃00001011B;＃00001011B为读Configure寄存器命令字。 LCALL WCOMM ;发送读命令字。 LCALL RD24 ;读24位Configure寄存器。 LCALL ACOMP ;与标志字比较,相等则置标志位C＝″1″;否则 C＝″0″。 JNC ERROR1; 若复位错,则转错误处理,可在端口复位后再软件复位。 MOV 20H,＃00000011;＃00000011为写Configure寄存器命令字。 LCALL WCOMM ;发送写命令字。 MOV 20H,＃00110000B;置Configure寄存器内容。 MOV 21H,＃00010000B; MOV 22H,＃10000000B;22H单元第7bit为RS 位,现为无效。 LCALL W24; 写24位Configure寄存器,清除RS位。 如下是启动单通道、非循环A/D转换及读数片段： LCALL INITPORT ;强制进入命令状态。 MOV 20H,＃10000000B ;启动0逻辑通道转换命令。 LCALL WCOMM ;写命令。 LCALL DELAY2 ;延时＞转换时间。 JB P1.2,ERROR2;正确转换后,SDO(P1.2)变为低,否则转错误处理。 LCALL RD8; 发8个脉冲以清除SDO 标志。 LCALL RD24; 读24位数据。 采用上述方法设计的检测电路,当红外探测器输出电流为0.1μA～1mA时,差分输入电压为10mV～2V。能够完成双色红外信号的检测。 基于CS5521设计的双色红外信号检测电路结构简单、体积小、设置灵活、工作可靠。CS5521可在速度要求不高、信号变化大的弱信号检测中获得广泛应用。 | |
１ CS5521简介
·两个差分输入物理通道。每个通道可自校验和系统校验。可设定四个逻辑通道,可多通道自动循环转换。
·24位可读写偏置(Offset)寄存器,每个物理通道各一个,用于存放校验所得的偏置值。
考虑到所测红外信号强弱差异,仅靠CS5521片内放大器增益调节不能满足故加开关MAX4580来改变串接电阻大小。信号电流≥5μA 时,仅R1、R2接入;信号电流＜5μA时,由89C2051 的P1.3脚控制接入R1′、R2′来检测微弱信号。可通过CS5521自校验来实现自调零和增益设定。若要测每个通道信号的精确值,除2.5V量程外都需要进行系统校验,否则可能产生多达20％的增益误差。系统校验时,外部需要提供如图2(b)、图2(c)所示的精确基准电路。校验结束后,将各量程的偏置值和增益值存入2051的程序中,在转换量程时将相应值送入各自寄存器即可。若仅需信号的相对值,可进行在线自校验。整个电路由20脚的89C2051来控制。／CS端始终有效,SCLK为串行时钟输入端,SDI为CS5521串行命令／数据输入端,SDO为CS5521数据输出端空闲时为高电平,高电平向低电平转变用来指示芯片A/D转换数据可取或校验结束。|
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