基于I^2C总线的16位A／D转换器ADS1110及其应用

基于I^2C总线的16位A／D转换器ADS1110及其应用 基于I^2C总线的16位A,D转换器 ADS1110及其应用 《自动化与仪器仪表》2006年第5期(总第127期) 基于I2C总线的16位A/D转换器ADS1110及其应用 孙汝建 (南京水利科学研究院南京,210024) 摘要:介绍了德州仪器公司生产的高精度16位A/D转换器ADSll10的特性,内部 结构以及 与单片机IC总线接口的读写方法,软件操作,并给出了与单片机连接的压力 传感器测量应用实 例.具有结构简单,可靠性高,抗干扰能力强,不需要扩展外围器件等特点,根据不同 需要可以应用 于多种温度,位移测控系统中. 关键词:总线;A/D转换器;单片机;应用 Abstract:Introducedthecharacteristicandinternalstructureofahighaccuracy16一 bitADSlll0 A/DconversionwhichbelongstotheTexasInstruments.Theread-writemethodsandsoftwar eproce— dureofasingle-chipcomputerICbusaredescribed.Somemeasurementapplicationcasesofp ressures sensorconnectedwiththesingle-chipcomputerarealsogiven.Thesystemhasthecharacteris ticsof simplestructure,highreliability,strongnoiseresistances,noperipheralchip,etc,andmaybea p— pliedmanytemperature,displacementmeasurementandcontrolsystem. Keywords:Bus;A/Dconverter;Single-chipcomputer;Application 中图分类号:TP368.1文献标识码:B文章编号:1001--9227(2006)04一O049—03 1ADSlll0性能特点 ADS1110是美国德州仪器公司(TI)近年推出 的超小型SOT23—6封装16位A/D转换器,这种易 用性很高的低价位数据采集系统具有极高的集成度与 优良性能.ADS1110是为那些将空间与功耗作为首 要考虑因素的高精度测量系统应用而精心的,可 用于由电池供电的电子产品,手持测试仪器,便携式 医疗设备及工业流程控制等.该器件主要性能特点如 下: el6位无代码丢失,差动输入,自动校准,?_? 型模数转换器; ?高精度:INL最大0.019/6(满量程),低温度 漂移:5ppm/?,高集成度:片内2.048V基准电压 源,PGA,振荡器; ?可编程数据速率:15SPS,30SPS,60SPS, 240SPS; ?接口简单:二线IC接口,8个有效地址,无 需任何外围元件; ?低功耗:工作电流240~A,转换后自动断电, 减少空闲期间耗电; ?超小型封装,6脚引线,贴片面积:3×3mm. 2ADS1110结构框图和芯片引脚分布 收稿日期:2006--01--25 ADSlll0由以下部件组成:可编程增益放大器 (PGA),?一?A/D转换器,参考电源,时钟发生器 和IC接口电路,见图1.芯片引脚分布见图2. V VIN一 图1ADSlll0结构框图 VINV?SCA SCL SDA ?x] GND VtnGNDSCl 图2引脚分布 其中,VIN+,VIN一为输入电压信号+,一; VDD为电源正;GND为电源负;SCL为时钟信号 线;SDA为数据传输线. 49 基于12C总线的16位A/D转换器ADS1110及其应用孙汝建.等 每一块芯片上都印有封装标记,表明12C总线器 件地址.封装标记ED0ED7分别表示器件地址为 100]000—1001111,图2所示的ED0表示该芯片地 址为1001000. 3ADS1il0内部寄存器 ADS]]10有一个16位输出寄存器和一个8位配 置寄存器.输出寄存器包含上一次转换的结果,配置 寄存器允许用户改变ADSl11O的工作方式并查询器 件的工作状态. 3.1输出寄存器 l6位输出寄存器采取二进制补码,在复位 或上电之后被清零.格式如表1所示. 表1输出寄存器 位15141312111098 名称D15D14D13D12D11D1019912)8 位76543210 名称D7D6D5134D3D2D1B0 3.2配置寄存器 配置寄存器用来控制ADSl11O的工作方式,数 据速率和增益放大器PGA的设置,格式如表2所 示,默认设置是8CH. 表2配置寄存器 位7:ST/I)RDY 单周期转换方式中,写"1"到该位,导致转换 的开始;写人"0"则无影响.连续转换方式中, ADS111O忽略写人该位的值. 连续转换时,用该位来确定转换数据就绪的时 间.该位为"0",表示输出寄存器中的数据是未被 读取的新数据;该位为"1",表示数据以前已经被读 取过. 单周期转换时,用该位来确定转换是否完成. "0"表示转换完成,"l"表示转换正在进行. 位6—5:保留位,必须被置为"0". 位4:SC SC为"1"时器件以单周期转换方式工作;SC 为"0"时器件以连续转换方式工作,默认值为"0". 位3—2:DR DR1,DR0控制ADSll1O的转换速率和相应的 输出码,如表3所示.默认值DR1—1,DR0=1. 位1—0:PGA PGA1和PGAO控制ADSll1O的增益设置如表 4所示,默认值PGA1===0,PGA0=0. 5f) 表3DR位和相庆输出码 表4PGA位 PGA1PGAO增益 1 d 8 4ADSlll0的1C总线和单片机接口及其读写操作 ADSlll0有一个2线漏极开路的IC接口总线, 支持多个器件和主机共用一条总线,可以直接和带有 1C总线接口的单片机相连,也可以和单片机通用I/ O口相连接,应用十分方便.这里给出了一个与 AT89C51单片机的基本接口电路参见图3,数据线 SDA(P1.1)和时钟线SCL(P1.O)应接上拉电阻, 电阻值的大小选择应考虑功耗,总线操作速度和总线 容抗问题,一般用10K电阻.IC是双向传输总线, ADS1l1O只能作为从机,必须按照单片机发出的命 令执行操作.SI)A线可以发送和接收数据,SCL作 为时钟线,由单片机产生读写时序脉冲. 图3ADS1110与单片机的接口电路 对ADSl11O读或写操作,首先要对ADSl11O寻 址.在SCL高电平时,SDA给出一个下降沿启动I c线,开始发送一个8位字节1001aaa*数据.其中 aaa就是ADSl110的地址OOO,111,出厂时已固化, 购买芯片时应向销售商说明.*位为读写方向位,* 一 1表示接受ADS1110数据,*一0表示发送数据给 ADS1110.ADS1110接收到1个字节数据后要返回 一 个ACK应答信号,建立主从握手连接.若进行读 操作,ADS1110依次发送输出寄存器高位字节,低 位字节和配置寄存器数据,单片机每收到一个字节后 都要返回一个ACK应答信号,也可只读一个字节, 若多于三个字节,后面收到的将是FFH..若是进行 写操作,单片机将发送配置寄存器的修改值,由于只 《自动化与仪器仪表》2006年第5期(总第127期) 有一个配置寄存器,所以在进行写操作时ADS1I10 只响应第一个字节,多发无效.当SCL为高电平时, SDA出现一个上升沿则停止使用IC总线.图4给 出了读寄存器操作流程. 启动I.C总线 1.r 向ADS111O发送地址和写标志 1.r 等待ADS1110应答 1.r 接收ADS1110第一个数据 1.r 向ADS1110发送应答 接收ADS1110第二个数据 向ADS1110发送应答 1.r 停止12C总线 图4读ADS1110流程 5A/D转换值计算 A/D转换值一(输出码x2.048V)/(满量程值x PGA),其中: 输出码:从ADSlll0读出的2字节转换数据, 根据有效分辨率首位判断正负值(0为正数,1为负 数),若是负数则要对补码求反加1. 满量程值:正数的满量程值一n--一1,n为 分辨率,见表3,负数的满量程值一2. PGA:增益 例如,输出码一3FFFH(16383)为正值,数据 转换速率为15SPS(满量程值一32767),PGA一1 时. A/D转换值一(16383×2.048V)/(32767×1)一 1.02397V. 分辨率一2.048V/32767—0.0625mV,所以A/ D转换值的小数点后第4位是有效位. 6ADSlll0在数据采集中的应用 ADS1110是一个高精度的?一?模数转换器, 适合测量变化速度不大的物理量,例如温度,压力, 水位值的测量.对于压阻式,应变片式,热电阻式, 电位器式等输出阻抗较低的传感器信号可以直接与 ADSll10连接.多数电桥结构的传感器满量程输出 电压只有几十毫伏,当满量程输出电压为?30mV 时,用ADS1110i贝0量可以达到12位分辨率(不包括 1位符号位),若要达到更高分辨率,需要外接测量 放大器. 图5是一个压力传感器的数据采集电路.压力传 感器是惠斯通电桥结构的差压传感器.可以测量正负 压力变化,采用lmA恒流源驱动,满量程输出电压 _ 4-30mV.ADS1110有一个完整的差分信号输入端, 直接与传感器连接,再通过IzC总线与单片机连接组 成一个完整的数据采集系统.该系统具有结构简单, 可靠性高,抗干扰能力强,不需要扩展外围器件等特 点,根据不同需要可以应用于多种温度,压力,位移 测控系统中. 图5压力传感器测量电路 7结束语 常用的A/D转换器都需要外接晶振和基准电压 源,线路设计,印制板布置和抗干扰问题都很复杂, 而ADS1I10是一个完整的数据采集模块,无须任何 外接元件,可以达到16位分辨率,精度高于47数字 电压表,通过IC总线最多可以挂接8片不同地址的 ADSII10,形成一个多路数据采集系统.同一系列的 ADSI100与ADS1110性能基本相同,不同之处是 ADSI100采用外接参考电压,更加适合参考电压作 为传感器驱动电压方式的数据采集系统. 使用中ADSlllO的信号输入端电压不能超过规 定的极限值,同时要注意静电放电对芯片造成的危 害. 参考文献 1ADS1110:16一BitAnalog—to-DigitalConverterwithOnboard ReferenceDatasheet.04Nov2003.TexasInstruments US久 2余永权.ATMEL89系列单片机应用技术[M].北京:北京航 空航天大学出版社,北京2002 51