基于高精度AD芯片CS5524实现的温度监测

CS5524在温度检测技术中的研究与应用作者：朱世宇单位：重庆工业自动化仪表研究所摘要：CS5524是一种高精度4通道24位Δ-∑A/D转换器芯片,它具有抗干扰能力强、测量量程调节范围大等优点,非常适用于微弱信号采样。本文详细介绍了CS5524的内部结构和各寄存器的功能及设置方法,并通过实例说明其在微弱信号采样中的应用。关键词：CS5524A/D转换温度检测。Abstract:TheCS5524isasinglepowersupplyoperationhighintegrated4channel24-bitΔ～∑ADconverterchip,whichhasadvantagesofstronganti-jammingabilityandwidemeasurementadjustingrangeanditfitstotheweaksignalsampling.ThispaperintroducestheinternalstructurefunctionsandsettingmethodoftheCS5524givestheexampleofitsapplicationinweaksignalsampling.Keywords:CS5524A/Dtemperaturemonitor0引言温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是工农业生产、科学试验中需要测量和控制的主要参数。温度的测量手段发展至今，已经多种多样，然而依然存在一些不足。因为温度是物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，所以要测量温度，首先要将分子热运动剧烈程度转换成体积、电阻值、电流值、电压值等，然后通过模数转换等手段进行量化，得到需要的温度值。为了提高模数转换的动态范围和采样过程中的抗干扰能力，本文设计了一种以CS5524作为模数转换器的接触式测温系统。1电压采集电路设计该系统转换电路作为模数转换器的前级，首先将分子热运动的剧烈程度转换成电压值，然后由A/D转换芯片CS5524对电压进行采样。该电路采用了热电阻CU50将温度转化为电阻值，然后通过桥将电阻值转换为电压值。又因为电网的频率会有波动，因此要求采样信号周期能够随着电网频率的波动而变化，故电路中测量出了电压基波的频率，并对基波频率进行频率跟随，如图1所示。图1电压采集电路图主控芯片在接到A/D转换芯片给出的信号后，对A/D装换芯片进行配置使能，然后从A/D转换芯片中读取采样码值。2CS5524的特点及结构CS5524是美国CRISTAL公司生产的高精度A/D芯片，是一种理想的4通道增益可编程的A/D转换器。其采用∑-△结构，具有较高的输入动态范围，共有25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V等6个单/双极性量程可选（带双缓冲），并且内带驱动泵，能以此产生小信号和负电压信号的基准电压（-2.1~2.5V）。因为具有可编程的功能，还能编程选择通道，每个通道内均带有可读写的系统校验与自校验存储器，且芯片运行功率消耗仅5.5mW。非常适用于信号较弱、动态范围大、干扰严重的测量系统。CS5524采用24脚双列直插封装形式，如图2。表1为各引脚名称及功能说明。+5VA连接控制芯片连接控制芯片比较器串行A/D装换器整流桥100V~GND图2芯片引脚排列图表1各引脚名称及其功能表引脚名功能引脚名功能AGND模拟地VREF+参考电压正相VA+模拟电压输入VREF-参考电压反相AIN1+通道一正相端AIN2+通道二正相端AIN1-通道一反相端AIN2-通道二反相端AIN3+通道三正相端AIN4+通道四正相端AIN3-通道三反相端AIN4-通道四反相端NBV负输出脚A1逻辑输出1A0逻辑输出0脚SCLK时钟输入端CPD泵电压输出VD+数字电压输入SDI串行数据输入DGND数字地CS片选端SDO数据输出端XIN晶振输入XOUT晶振输出CS5524内含多路复用器、斩波稳定放大器、24位∑-△A/D转换器、可编程增益放大器、片内校验电路以及若干存储器。其存储器主要有命令索引寄存器（CommandRegisterQuickReference）、配置寄存器（ConfigurationRegister）、通道配置寄存器（ChannelSetupRegisters）等。其内部结构框图如图3。图3CS5524的内部结构框图命令索引寄存器是一个8位只写寄存器，通过设置该寄存器的相应位可以对其他五个寄存器进行读或写操作。配置寄存器是一个24位可读写寄存器，用来设置放大器的斩波频率、执行DEF转换逻辑通道的数目、软件复位以及执行转换方式等；寄存器配置和功能详见表G。A为复位后寄存器各位的取值；每个物理通道有一个24位可读写通道设置寄存器，主要用来设置需要DEF转换的物理通道号、量程、输出字速率和信号极性。对通道设置寄存器进行读写操作的命令字分别为是0DH、0FH。另外，每个通道有24位可读写的偏移、增益寄存器以对数据转换FIFO的A/D转换数据进行偏移、增益校准的操作控制。3软件设计控制程序应用IAREmbeddedWorkbench软件编写。程序包括CS5524芯片初始化、模数转换二个部分。3.1时序逻辑在对CS5524进行读/写操作时需要遵循一定的时序逻辑如图4、图5所示。图4输入口与时钟的时序逻辑图图5输出口与时钟的时序逻辑图注：t1、t2分别为时钟的高、低电平，脉宽均为250ns；t3为片选后到时钟上跳沿的最短时间为50ns；t4为数据置位后到时钟上升沿的最短时间为50ns；t5为时钟上升沿到数据锁定的最短时间为100ns；t6为时钟下降沿到片选退出的最短时间为100ns；t7为片选后到数据设置的最长时间为150ns；t8为时钟下降沿到下一个数据更新的最长时间为150ns；如图所示，当片选脚拉低之后，才能对CS5524进行读写。在进行读操作时，在SCLK端口给一个时钟跳变，在SDO端口读取数据的1位。在进行写操作时，在SDI端口写入数据的1位，t3时间后在SCLK端口给一个时钟跳变。每个过程的连续操作，即完成CS5524的读写功能。CS5524芯片振荡器启动时间为500ms（外部晶振为32.768kHz）；在实际电路的设计中，为了提高采样频率，将CS5524的外部震荡输入频率从32.768KHz，提高到了100KHz。使最高采样频率提高了3倍。3.2CS5524芯片初始化当CS5524加电时，振荡器开始工作，且芯片内的计数计时器计数结束前，芯片一直保持复位状态，直到在计数2006个时钟振荡周期后，才能确定振荡器完全稳定。在这一计时周期内，串口逻辑复位，配置寄存器的RV位被置‘1’，指示发生了一次有效的复位。复位后，片上寄存器如被设置为以下状态：配置寄存器置000040H，通道设置寄存器置000000H，偏移寄存器置000000H，增益寄存器置4000000H，则表明完成了一次有效复位，转换器处于命令模式，等待一个有效的命令。CS5524芯片在每次软件复位或硬件复位后都会置为缺省值，在缺省值下，芯片均能正常工作。在初始上电后，虽然不对CS5524进行软件复位同样可以完成转换，但是其工作状态并不稳定，因此在上电之初，必须对CS5524进行软件复位。进行软件复位时，应向CS5524顺序写入十五个字节的#0xFFh和一个字节的#0xFEh。完成后，芯片将被强制工作于命令模式。表2各寄存器读/写配置索引表如表2，向CS5524写#0x03h进入Confiquration寄存器写模式，连续写入#0x00h，#0x03h，#0x08h设置Confiquration寄存器使CS5524复位。再次写#0x03h进入Confiquration寄存器写模式，连续写入#0x00h，#0x03h，#0x00h，回到正常模式。写#0x05h进入ChannelSet-up寄存器写模式，根据表3，对各通道进行配置。表3各通道配置表3.3模数转换拉低片选脚，在发送转换命令前，读取SDO脚，当其为高电平时，表示CS5524为空闲状态，发送#0x80h（0通道）模数转换命令。延时等待，直到SDO脚为低电平时，再写入#0x00h，清SDO标志位。重复24次读操作，获取一个24位二进制数据。拉高片选脚，模数转换结束。/*****************************************************************************/unsignedcharCommand_AD_Data(unsignedcharcommand){unsignedchart,u;GPIOPinWrite(SPI_BASE,SPI_LATCH_PIN,0);SysCtlDelay(12);//当SDO脚为高电平时，才能发送命令t=250;u=GPIOPinRead(SPI_RXD_BASE,SPI_RXD_PIN0|SPI_RXD_PIN1|SPI_RXD_PIN2|SPI_RXD_PIN3);while(t&&(u!=0x0f)){SysCtlDelay(40);t--;u=GPIOPinRead(SPI_RXD_BASE,SPI_RXD_PIN0|SPI_RXD_PIN1|SPI_RXD_PIN2|SPI_RXD_PIN3);}if(t0){//写命令启动ADSend_AD_Byte(command);//判断SDO脚是否已经降为0电平t=250;u=GPIOPinRead(SPI_RXD_BASE,SPI_RXD_PIN0|SPI_RXD_PIN1|SPI_RXD_PIN2|SPI_RXD_PIN3);while(t&&u){SysCtlDelay(2000);//延时t--;u=GPIOPinRead(SPI_RXD_BASE,SPI_RXD_PIN0|SPI_RXD_PIN1|SPI_RXD_PIN2|SPI_RXD_PIN3);}if(t0){//写8个周期的0，清SDO标志位Send_AD_Byte(0);//读数Receive_AD_Bytes(GucAdSource);SysCtlDelay(60);GPIOPinWrite(SPI_BASE,SPI_LATCH_PIN,SPI_LATCH_PIN);return(SUCCESS);}}GPIOPinWrite(SPI_BASE,SPI_LATCH_PIN,SPI_LATCH_PIN);return(FAIL);}/*****************************************************************************/4结束语CS5524是一个较为复杂的芯片，其应用有一定的难度，本文介绍了它的结构、功能、寄存器设置和编程要点，并给出了其应用实例。CS5524具有功耗低、精度高、抗干扰能力强和测量量程范围大等优点，非常适用于信号较弱、动态范围大、干扰严重的测量系统。现在被广泛应用于小角度测量、精密称重或微弱信号采样等领域，可预测CS5524具有较好的应用前景。参考文献[1]龙志君罗文钦吴桂清《24位高精度A/D芯片CS5524的应用》国外电子元器件，1998年[2]王君勤马孝义《电测与仪表》中国经济出版社，2005年