16位A/D转换器CS5521在双色红外信号检测中的应用
2009-01-07
作者：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。
1 CS5521简介
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。
·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。
·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。
·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。
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。
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)。
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、#00000011B ;#00000011B为写Configure寄存器命令字。
LCALL WCOMM ；发送写命令字。
MOV20H、#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。
参考文献
1 余永权.Flash 单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，1997.10
2 控制与测量新技术研讨会文集、1999.8