摘 要： 針對紅外信號傳感器輸出信號較弱且變化范圍大的特點,，介紹了一種基于16位A/D 轉(zhuǎn)換器CS5521的可編程紅外信號檢測電路的設(shè)計方法,。
關(guān)鍵詞： CS5521A/D轉(zhuǎn)換器 可編程增益放大器 紅外信號檢測
雙色紅外探測是一種高抗干擾的熱源探測。由于熱源溫度高低、傳播距離遠近以及傳播媒介等的不同,，紅外性能亦不同，所以紅外傳感器輸出信號較弱且變化范圍大(0.1μA～1mA),。因此,，要求信號檢測電路具有低噪聲、低零漂,、高抗噪及大范圍增益可調(diào)等性能,。這類電路一般由電流—電壓轉(zhuǎn)換模塊、可編程增益放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成,。若將各部分用不同芯片來設(shè)計,，電路不僅功耗大、體積大,，而且參數(shù)調(diào)整和性能補償都較復(fù)雜,。如果選用美國Crystal公司推出的CS5521 A/D轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計紅外信號檢測電路,，可克服上述缺點,。
1 CS5521簡介
CS5521芯片為20腳PDIP或SSOP封裝。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由多路復(fù)用器,、20倍斬波穩(wěn)定測量放大器，可編程增益放大器(PGA),、帶有數(shù)字濾波器的16位Δ－Σ A/D轉(zhuǎn)換器及片上校驗電路(Calibration)和寄存器構(gòu)成,。
1.1 主要性能
·16位A/D轉(zhuǎn)換精度。
·串行接口,。
·兩個差分輸入物理通道,。每個通道可自校驗和系統(tǒng)校驗?？稍O(shè)定四個邏輯通道,，可多通道自動循環(huán)轉(zhuǎn)換。
·6種緩沖單/雙極輸入范圍：25mV,、55mV,、100mV、1V,、2.5V,、5V。
·轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)FIFO(先入先出),，最高輸出頻率為303Hz(此時接100kHz晶振),。
·單電源＋5V模擬供電,，＋5V或＋3V數(shù)字供電。
·可按如圖2(a)設(shè)計成自身提供負電源,，在NBV端產(chǎn)生－1.8V～－2.5V的電壓,，從而使片上測量放大器能夠測量≤±100mV 的以地為參考的雙極性信號。
·功耗：5.5mW
1.2 片內(nèi)寄存器
· 8位只寫指令(Command)寄存器,、用于存放供片內(nèi)微處理器使用的指令,。指令最高位為‘0’時，為讀寫其它寄存器指令,；最高位為‘1’時,，為啟動A/D轉(zhuǎn)換指令或校驗指令。
·24位可讀寫配置(Configure)寄存器,、用于設(shè)置斬波頻率,、邏輯通道數(shù)、多通道循環(huán)轉(zhuǎn)換,、負電源及軟件復(fù)位,。
·24位×2可讀寫通道設(shè)置(Channel Setup)寄存器，用于設(shè)置各邏輯通道的輸入范圍,、循環(huán)轉(zhuǎn)換時的輸出率及與其對應(yīng)的物理通道號(設(shè)置時用到配置寄存器中的邏輯通道數(shù),，所以此寄存器應(yīng)在配置寄存器設(shè)置之后設(shè)置)。
·只讀先入先出數(shù)據(jù)輸出(FIFO Data Output)寄存器組,、讀數(shù)時先送8個脈沖用于清除SDO,，后送24×N(循環(huán)邏輯通道數(shù))個脈沖用于讀數(shù)。24位數(shù)據(jù)的前16位是轉(zhuǎn)換結(jié)果,，后8位包含物理通道,、振蕩探測及輸入界限檢驗等信息。
·24位可讀寫增益(Gain)寄存器,，每個物理通道各一個,。用于存放校驗所得的增益值。
·24位可讀寫偏置(Offset)寄存器,，每個物理通道各一個，用于存放校驗所得的偏置值,。
2 CS5521在紅外信號檢測中的應(yīng)用
雙色紅外檢測系統(tǒng)原理如圖3所示,，被測物體發(fā)出的紅外波，經(jīng)光學(xué)元件匯聚到紅外探測器,，紅外探測器將紅外光信號轉(zhuǎn)換成電信號,，再由檢測電路處理得到目標的紅外信息。
2.1硬件電路
檢測電路如圖4所示,。圖中,，雙色紅外探測器(InGaSn,、Si)是電流源，兩路信號電流分別經(jīng)串接電阻R1,、R2(或串接R1′,、R2′)形成電壓差，它們作為CS5521兩通道的差分輸入信號,。電容C1,、C2與電阻并聯(lián)以抑制高頻干擾。將NBV端接地,，在使用25mV,、55mV、100mV 三個量程時,，輸入共模電壓要在1.85V～2.65V之間,，由LM385－2.5產(chǎn)生2.5V電壓來滿足。
考慮到所測紅外信號強弱差異,，僅靠CS5521片內(nèi)放大器增益調(diào)節(jié)不能滿足,、故加開關(guān)MAX4580來改變串接電阻大小。信號電流(≥5μA 時,，僅R1,、R2接入；信號電流＜5μA時,，由89C2051 的P1.3腳控制接入R1′,、R2′來檢測微弱信號?？赏ㄟ^CS5521自校驗來實現(xiàn)自調(diào)零和增益設(shè)定,。若要測每個通道信號的精確值，除2.5V量程外都需要進行系統(tǒng)校驗,，否則可能產(chǎn)生多達20%的增益誤差,。系統(tǒng)校驗時，外部需要提供如圖2(b),、圖2(c)所示的精確基準電路,。校驗結(jié)束后，將各量程的偏置值和增益值存入2051的程序中,，在轉(zhuǎn)換量程時將相應(yīng)值送入各自寄存器即可,。若僅需信號的相對值，可進行在線自校驗,。整個電路由20腳的89C2051來控制,。/CS端始終有效，SCLK為串行時鐘輸入端,，SDI為CS5521串行命令/數(shù)據(jù)輸入端,，SDO為CS5521數(shù)據(jù)輸出端(空閑時為高電平,，高電平向低電平轉(zhuǎn)變用來指示芯片A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可取或校驗結(jié)束)。
2.2 軟件實現(xiàn)
軟件主要包括系統(tǒng)復(fù)位初始化模塊,、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊,、數(shù)值處理模塊。因為A/D轉(zhuǎn)換控制和數(shù)值處理與具體應(yīng)用緊密相關(guān),，限于篇幅在此不作重點介紹,。
初始化分為上電自動復(fù)位初始化、軟件復(fù)位初始化和端口復(fù)位初始化,。CS5521在上電區(qū)間會自動復(fù)位到一定狀態(tài),。是否已正確復(fù)位可通過讀取Configure寄存器的數(shù)據(jù)并測試其是否為000040H來判斷(也可僅測試Configure 寄存器的RV位是否有效來判斷，筆者認為,，為可靠起見,，應(yīng)比較所有內(nèi)容)?？蓪onfigure 寄存器的RS位置″1″來實現(xiàn)軟件復(fù)位,。此時正確復(fù)位的標志是Configure 寄存器的內(nèi)容為0000C0H。注意：軟件復(fù)位后應(yīng)將RS 位清零,。端口復(fù)位強制CS5521進入命令接收狀態(tài),，可用于錯誤處理。它由微處理器向CS5521連續(xù)發(fā)送15字節(jié)″11111111″,，加一字節(jié)″11111110″來實現(xiàn),。
如下是軟件復(fù)位程序片段：
LCALL INITPORT;端口復(fù)位，進入命令狀態(tài),。
MOV 20H,、#00000011B;#00000011B為寫Configure寄存器命令字。
LCALL WCOMM ;發(fā)送寫命令字,、20H,、21H、22H為命令/數(shù)據(jù)緩存寄存器組,。
MOV 20H,、#00110000B ;置Configure寄存器內(nèi)容。
MOV 21H,、#00010000B;
MOV 22H,、#10000000B ;22H單元第7bit為RS位，現(xiàn)為有效,。
LCALL W24 ；寫24位Configure寄存器,。
LCALL DELAY1 ,；延時＞復(fù)位時間(2006個時鐘周期),。
MOV 20H、#00001011B ;#00001011B為讀Configure寄存器命令字,。
LCALL WCOMM ,；發(fā)送讀命令字。
LCALL RD24 ,；讀24位Configure寄存器,。
LCALL ACOMP ；與標志字比較,，相等則置標志位C＝″1″,；否則 C＝″0″。
JNC ERROR1 ;若復(fù)位錯,，則轉(zhuǎn)錯誤處理,，可在端口復(fù)位后再軟件復(fù)位。
MOV 20H,、#00000011B ;#00000011B為寫Configure寄存器命令字,。
LCALL WCOMM ；發(fā)送寫命令字,。
MOV20H,、#00110000B ;置Configure寄存器內(nèi)容。
MOV 21H,、#00010000B ;
MOV 22H,、#10000000B ;22H單元第7bit為RS位，現(xiàn)為無效,。
LCALL W24 ;寫24位Configure寄存器,，清除RS位。
如下是啟動單通道,、非循環(huán)A/D轉(zhuǎn)換及讀數(shù)片段：
LCALL INITPORT ,；強制進入命令狀態(tài)。
MOV 20H,、#10000000B ,；啟動0邏輯通道轉(zhuǎn)換命令。
LCALL WCOMM ,；寫命令,。
LCALL DELAY2 ；延時＞轉(zhuǎn)換時間,。
JB P1.2,、ERROR2 ;正確轉(zhuǎn)換后、SDO(P1.2)變?yōu)榈停駝t轉(zhuǎn)錯誤處理,。
LCALL RD8 ;發(fā)8個脈沖以清除SDO 標志,。
LCALL RD24 ;讀24位數(shù)據(jù)。
采用上述方法設(shè)計的檢測電路,，當紅外探測器輸出電流為0.1μA～1mA時,，差分輸入電壓為10mV～2V。能夠完成雙色紅外信號的檢測,。
基于CS5521設(shè)計的雙色紅外信號檢測電路結(jié)構(gòu)簡單,、體積小、設(shè)置靈活,、工作可靠,。CS5521可在速度要求不高、信號變化大的弱信號檢測中獲得廣泛應(yīng)用,。
參考文獻
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