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(diǎn),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(jì)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(yuǎn)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(jì),電路不僅功耗大、體積大,而且參數(shù)調(diào)整和性能補(bǔ)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(jì)紅外信號檢測電路,可克服上述缺點(diǎn)。

    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(yàn)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(gè)差分輸入物理通道。每個(gè)通道可自校驗(yàn)和系統(tǒng)校驗(yàn)�？稍O(shè)定四個(gè)邏輯通道,可多通道自動(dòng)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(shí)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(jì)成自身提供負(fù)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�熡糜诖娣殴┢瑑�(nèi)微處理器使用的指令。指令最高位為‘0’時(shí),為讀寫其它寄存器指令;最高位為‘1’時(shí),為啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換指令或校驗(yàn)指令。

    ·24位可讀寫配置(Configure)寄存器�熡糜谠O(shè)置斬波頻率、邏輯通道數(shù)、多通道循環(huán)轉(zhuǎn)換、負(fù)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(shí)的輸出率及與其對應(yīng)的物理通道號�熢O(shè)置時(shí)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�熥x數(shù)時(shí)先送8個(gè)脈沖用于清除SDO,后送24×N(循環(huán)邏輯通道數(shù))個(gè)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(yàn)等信息。

    ·24位可讀寫增益(Gain)寄存器,每個(gè)物理通道各一個(gè)。用于存放校驗(yàn)所得的增益值。

    ·24位可讀寫偏置(Offset)寄存器,每個(gè)物理通道各一個(gè),用于存放校驗(yàn)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(biāo)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(gè)量程時(shí),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(qiáng)弱差異,僅靠CS5521片內(nèi)放大器增益調(diào)節(jié)不能滿足�煿始娱_關(guān)MAX4580來改變串接電阻大小。信號電流�煛�5μA 時(shí),僅R1、R2接入;信號電流＜5μA時(shí),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(yàn)來實(shí)現(xiàn)自調(diào)零和增益設(shè)定。若要測每個(gè)通道信號的精確值,除2.5V量程外都需要進(jìn)行系統(tǒng)校驗(yàn),否則可能產(chǎn)生多達(dá)20％的增益誤差。系統(tǒng)校驗(yàn)時(shí),外部需要提供如圖2(b)、圖2(c)所示的精確基準(zhǔn)電路。校驗(yàn)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(shí)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(jìn)行在線自校驗(yàn)。整個(gè)電路由20腳的89C2051來控制。／CS端始終有效,SCLK為串行時(shí)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�熆臻e時(shí)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(yàn)結(jié)束�牎�

    ２．２ 軟件實(shí)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?yàn)锳/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(diǎn)介紹。

    初始化分為上電自動(dòng)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(dòng)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(rèn)為,為可靠起見,應(yīng)比較所有內(nèi)容）�？蓪�Configure 寄存器的RS位置″1″來實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)位。此時(shí)正確復(fù)位的標(biāo)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(qiáng)制CS5521進(jìn)入命令接收狀態(tài),可用于錯(cuò)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(shí)現(xiàn)。

    如下是軟件復(fù)位程序片段：

LCALL INITPORT;�牰丝趶�(fù)位,進(jìn)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,�煟�00110000B;�犞肅onfigure寄存器內(nèi)容。

MOV 21H,�煟�00010000B;

MOV 22H,�煟�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(shí)＞復(fù)位時(shí)間(2006個(gè)時(shí)鐘周期)。

MOV 20H,�煟�00001011B;�牐�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(biāo)志字比較,相等則置標(biāo)志位C＝″1″;否則 C＝″0″。

JNC ERROR1; �犎魪�(fù)位錯(cuò),則轉(zhuǎn)錯(cuò)誤處理,可在端口復(fù)位后再軟件復(fù)位。

MOV 20H,＃00000011;�牐�00000011為寫Configure寄存器命令字。

LCALL WCOMM ;發(fā)送寫命令字。

MOV 20H,�煟�00110000B;�犞肅onfigure寄存器內(nèi)容。

MOV 21H,�煟�00010000B;

MOV 22H,�煟�10000000B;��22H單元第7bit為RS 位,現(xiàn)為無效。

LCALL W24; �爩�24位Configure寄存器,清除RS位。

    如下是啟動(dòng)單通道、非循環(huán)A/D轉(zhuǎn)換及讀數(shù)片段：

LCALL INITPORT ;強(qiáng)制進(jìn)入命令狀態(tài)。

MOV 20H,�煟�10000000B ;啟動(dòng)0邏輯通道轉(zhuǎn)換命令。

LCALL WCOMM ;寫命令。

LCALL DELAY2 ;延時(shí)＞轉(zhuǎn)換時(shí)間。

JB P1.2,�烢RROR2;�犝�確轉(zhuǎn)換后,SDO(P1.2)變?yōu)榈?否則轉(zhuǎn)錯(cuò)誤處理。

LCALL RD8; �牥l(fā)8個(gè)脈沖以清除SDO 標(biāo)志。

LCALL RD24; �犠x24位數(shù)據(jù)。

    采用上述方法設(shè)計(jì)的檢測電路,當(dāng)紅外探測器輸出電流為0.1μA～1mA時(shí),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(jì)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。