基于ADS1255的地震信息采集模块设计基于震前电磁波异样的客观事实，地震预告中，利用电磁辐射异样所具有的短临反映能力，能够正确采集临震电磁信息，从而在地震预告起着重要作用。
本文提出一种基于ADS1255的地震信息数据采集模块的解决计划。
2 系统硬件设计该地震信息采集模块的主采集控制器选用高性能数字信号处理器()TMS320F2812。
该器件特殊适用于大批量数据处理的测控场合。
在地震信息采集模块中，TMS320F2812主要负责控制ADS1255以及滤波处理相应的数据。
图1为地震信息采集模块设计框图。
因为该信息采集模块采纳SPI与A／D转换器通信，因此，当需扩展为4通道时，只需用TMS320F2812的4个I／O端口作为ADS1255的片选端即可，而SPI的时钟线和数据线均可分享。
为了提高数据的牢靠性与精度，需对A／D转换器传输的24位数据进一步滤波。
考虑到滤波时DSP需处理大量数据，因此通过TMS320F2812自带的外部存储接口扩展512 KB的RAM，作为该系统程序运行的数据空间。
此外，TMS320F2812的串口A与串口型的模块相连，用于囫囵信息采集模块的授时时钟。
为使A／D转换器采样精确牢靠，DSP与A／D转换器采纳自立的电源系统，SPI信号线均需通过隔离举行隔离。
2．1 ADS1255电路设计ADS1255是一款高性能的A/D转换器，其内部集成多路挑选开关(MUX)、可编程增益控制器(PGA)、四阶△-∑调制器、可编程数字等，具有极低的噪声，可满足高精度的测量要求。
ADS1255能够接收输入幅度为0～5 V的信号，若超出该范围，器件将损坏，因此，若需采集的信号不在该范围内，首先需将其线性变幻为0～5 V之内，才干输入到ADS1255。
图2为ADS1255的应用电路。
输入信号首先经过由R3、R4、R5组成的第1页共3页。
摘 要本系统是基于MSP430单片机控制的电子负载，首先通过比较器将D/A 给定的值和电路中的电流值反馈回来的电压值相比较。
再将比较结果送给功率器件的门极进行控制。
开关管出来的波形经过滤波之后使用电阻消耗功率。
再采样输入电流信号反馈给比较器，从而形成一个闭环系统达到恒流的目的。
系统中用带中文字库的液晶实时显示采样电流，电压和设定值等。
通过独立按键控制电流步进。
AbstractThe system is based on the MSP430 single-chip electronic load, first through the comparator will D/A the given value and the current in the circuit to value feedback voltage value is compared. The comparison of the result to the power device gate control. Switch tube of the waveform is filtered after using the resistance power consumption. Sampling input current signal is fed to a comparator, thereby forming a closed loop system to achieve the purpose of constant flow. System with Chinese character LCD display real-time sampling current, voltage and the setting value. Through the independent button control current step.一、 方案论证 1. 功率消耗方案方案一：采用功率场效应管（POWER MOS ）、绝缘双极型晶体管（IGBT ）等功率半导体器件工作在线性放大区，代替电阻等作为电能消耗的载体。
西南民族大学学报・自然科学版第32卷第5期 Journal of Southwest University for Nationalities ⋅Natural Science Edition Sept.2006______________________________________________________________________________________________收稿日期：2006-06-10作者简介：何建(1971-)，男，中国民航飞行学院讲师. 图1 ADS1255的排列引脚图2 ADS1255的结构原理及寄存器功能文章编号：1003-2843(2006)05-1036-05 24位A/D 转换器ADS1255及其应用何建, 胡焱, 周超(中国民航飞行学院，四川 广汉 618307)摘 要：ADS1255是TI 公司推出的微功耗、高精度、24位Δ－∑型模数转换器，其内部集成了输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、可编程数字滤波器. 文中介绍了ADS1255的主要特点、工作原理、典型应用实例及应用程序，最后给出了ADS1255的一些使用要点及设计经验.关键词：A/D 转换器；Δ－∑； ADS1255；采样速度；SPI中图分类号: TN911.72 文献标识码: A1 ADS1255概述ADS1255是德州仪器(TI)Burr-Brown 产品线推出针对工业应用、具有业界最高性能的模数转换器 (ADC)[1-3]. 其由模拟多路开关(MUX)、输入缓冲器(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、四阶Δ-Σ调制器再加一个可编程数字滤波器组成，完美组合了一流的无噪声精度、数据速率以及多种功能，为设计人员提供了全套高精度测量解决方案，非常适用于包括科学仪器、工艺控制、医疗设备与秤重设备等要求苛刻的工业应用领域[4-6].ADS1255分别采用SSOP-20封装，引脚排列图如图1所示主要特点如下：1)24位无数据丢失——所有数据速度和PGA 设置；2)低非线性度：±0.0010％；3)高达23比特的无噪声精度；4)数据采样率最大30kSPS ；5)ADS1255可配置为2路单极输入或1路差动输入；6)模拟多路开关具有传感器检测功能；7)输入缓冲器；8)具有低噪声可编程增益放大器，PGA ＝1时，可提供高到25.3位有效分辨率；PGA＝64时，可提供高达22.5位有效分辨率,并且所有的PGA 具有自校准和系统校准；9)带有串行外设接口(SPI)；10)可编程数字滤波器；11)模拟电压输入5V ，数字电压输入1.8～3.6V ；12)正常模式电源消耗38mW ，备用模式电源消耗0.4mW. 图2 ADS1255内部结构图图2 ADS1255内部结构图第5期 2.1 ADS1255的内部结构及工作原理ADS1255的内部结构如图2所示，主要由模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、四阶Δ-∑调制器、可编程数字滤波器、时钟发生器、控制器和串行SPI 接口等组成. 由于ADS1255提供3路模拟输入端，模拟多路开关寄存器的功能就是用来把其配置为1路差动输入或者2路单极输入. 默认情况下，ADS1255被配置为差动输入，通道0为正差动输入通道(AIN P ),通道1为负差动输入端(AIN N ). 作单极测量时，一般用AIN0、AIN1作为单极输入端；AINCOM 作为公共输入端，但是不把AINCOM 接地.ADS1255具有检测连接至输入端外部传感器的完整性的电路，传感器检测电路简化为图3所示，主要用传感器检测电流源(SDCS)来验证外面传感器的完整性，通过ADCON 寄存器的SDCS0和SDCS1来联合控制. 当开启传感器检测功能时，ADS1255自动开启输入缓冲器，SDCS 通过MUX 提供传感器一个约0.5uA 、2uA 、10uA 的电流(I SDC )，从图3知(AIN P －AIN N )＝I SDC (2R MUX ＋R RES )，当传感器短路时(即R RES ＝0)，仍有很小的信号(即I SDC ×2 R MUX )被ADS1255检测到，此时ADS1255有一很微小的转换结果输出；当传感器断路时，ADS1255转换结果异常，或者为正的异常大，或者为负的异常大. 通过此方法可以极其方便地检测出传感器的工作状态，注意在ADS1255正常工作时，一定要关闭传感器检测功能.输入缓冲器用于在信号通路中隔离开关电容器阵列与外部电路，可以简化为一电阻. 阻值在10M Ω～80 M Ω. 内部输入缓冲器由STATUS 寄存器的BUFFER 位控制. ADS1255内部的可编程增益放大器的放大倍数由ADCON 寄存器的的PGA0、PGA1、PGA2联合控制，PGA 的值在１到64之间，增益步长为２. ADS1255内部的调制器是一个四阶Δ-∑系统，通过内部电容不断的充放电来测量输入信号. 四阶Δ-∑调制器的输出经可编程低通滤波器后变成高精度的数字输出. 通过调整滤波次数，用户能够在精度和数据速率之间形成最佳组合. 滤波次数越多，精度越高；滤波次数越少，速度越快.ADS1255采用四线制(时钟信号线SCLK 、数据输入线DIN 、数据输出线DOUT 和片选线CS)SPI 通讯方式. ADS1255只能工作在SPI 通讯的从模式下，可以通过各种主控制器(例如单片机等)来控制ADS1255片上的寄存器，通过串口读或写这些寄存器. 串口通讯时必须保持CS 为低电平. 在SPI 传送过程中，数据被同步地发送和接收，SCLK 和DIN 、DOUT 同步移动，SCLK 信号要尽量保持干净以免发生数据丢失. DIN 结合SCLK 用来向ADS1255发送数据，在SCLK 的下降沿有效；DOUT 结合SCLK 用来从ADS1255读取数据，在SCLK 的上升沿有效. DIN 和DOUT 也可以通过一条双向信号线与主控制器相连，但这种情况下一定不能用RDATAC 命令来读取数据，在空闲时，DOUT 处于高阻态. 图4为SPI 通讯时序关系.ADS1255有2个通用数字I /O 口D0、D1，所有的I /O 口都可以通过IO寄存器设置为输入或输出，DO 脚还可以设置为一个时钟发生器供别的设备使用，如微控制器等. 此时钟可以通过ADCON 寄存器的CLK0和CLK1位设置成以f CLKIN 、f CLKIN /2或f CLKIN /4工作. 如果不需要时钟输出功能，最好在上电或者复位后通过写ADCON 寄存器是其处于无效状态. 不用的IO 引脚可以作为输入接地，也可以设置为输出，这样有利于减小电源的消耗.图3 传感器检测电路图图4 SPI 通讯时序图西南民族大学学报·自然科学版ADS1255的主时钟可以由一个外部晶振或时钟发生器提供. 如果主时钟由一个外部晶振产生，在PCB布线时，晶振应该尽量地靠近ADS1255，同时保证能够起振并得到一个稳定频率的额外电容也是必须的，一般用陶瓷电容. 一般选择晶振频率为7.68M(即f CLKIN ＝7.68M).2.2 ADS1255的主要寄存器功能ADS1255工作过程的建立主要通过对11个独立寄存器的设置来完成，这些寄存器包括所有需要设置的信息，例如采样速度、模拟多路开关、PGA设置、I/O选择、自校准等. 主要寄存器状态如表1所示，即:状态寄存器STATUS、模拟多路开关寄存器MUX、AD控制寄存器ADCON和数据速度寄存器DRATE.状态寄存器STATUS(地址00H)，复位值为X1H. 寄存器的高四个ID位由出厂设定. ORDER位为数据输出顺序选择位，为0时，数据输出时高位在先(默认)；为1时，数据输出时低位在先. ACAL位为自动校准选择位，为0时，自动校准关闭(默认)；为1时，自动校准开启. BUFFER位为输入缓冲选择位，为0时，输入缓冲关闭(默认)；为1时，输入缓冲开启. DRDY位为转换数据状态位，此位完全复制DRDY引脚的状态，DRDY低电平时，表明数据转换结束，结果可以读出；高电平时，表明没有数据转换完成或者正在转换数据，此时不能读数据.模拟多路开关寄存器MUX(地址01H)，复位值为01H. PSEL1～PSEL0为差动信号正输入端的选择位，具体选择如下：0000＝AIN0(默认)，0001＝AIN1，；NSEL1～NSEL0 为差动信号负输入端的选择位，具体选择如下：0000＝AIN0，0001＝AIN1(默认).AD控制寄存器ADCON(地址02H)，复位值为20H. 最高位没用，始终为0. CLK1、 CLK0为输出时钟选择位，具体选择如下：00＝输出时钟关闭；01＝f CLKIN(默认)；10＝f CLKIN/2；11= f CLKIN /4. SDCS1、 SDCS0为传感器检测选择位，具体选择如下：00＝传感器检测关闭(默认)；01＝传感器检测电流源为0.5uA；10＝传感器检测电流源为2uA；11＝传感器检测电流源为10uA. PGA2～PGA0为可编程增益放大器放大倍数选择位，具体选择如下：000＝1(默认)；001＝2；010＝4；011＝8；100＝16；101＝32；110＝64；111＝64.数据速度寄存器DRATE(地址03H)，复位值为F0H. DIR7～DIR0为数据速度选择位，具体选择如下：11110000＝30kSPS(默认)；11100000＝15kSPS；……；00010011＝5SPS；00000011＝2.5SPS.表1 ADS1256主要寄存器状态ADDRESS REGISTER RESETV ALUEBIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2 BIT1 BIT000h STATUS x1H ID3 ID2 ID1ID0 ORDER ACALBUFENDRDY 01h MUX 01HPSEL3PSEL2PSEL1PSEL0NSEL3NSEL2 NSEL1 NSEL0 02h ADCON 20H 0 CLK1CLK0SDCS1SDCS0PGA2 PGA1 PGA003h DRATE F0H DR7 DR6 DR5DR4 DR3 DR2 DR1 DR03 ADS1255的应用3.1 ADS1255的硬件设计ADS1255是精度极高的A/D转换器，为了得到最佳的转换结果，在应用期间要特别注意该器件的外围电路和印刷电路板设计. 同其他高精度A/D转换器一样，ADS1255在实际应用时，也要特别注意电源线和地线的布线. 在模拟电源和数字电源的输入端一般要并联一个小的陶瓷电容和一个大的钽电容或者陶瓷电容，一般采用图5所示的阻容滤波即可，注意电容要尽量靠近输入端，而且应使小电容更靠近ADC. 特别注意要为VREFN 和VREFP提供干净的电源，可以直接由(模拟电压)A VDD或由其分压得到，也可以采用独立的参考电源供电，但一定要该电源具有极低的噪声和温漂，否则将会直接影响ADS1255的性能. 通常在输入端要采用如图5所示的RC低通滤波器来限制高频噪声，特别要注意输入线越短越好. 在接地方面推荐采用模拟电源和数字电源共地，但要注意旁路电容和模拟调整电路的应用，然而一定要避免数字噪声元件也共用此地，例如微处理器. 如第5期果ADS1255采用不同的地网络，一定要注意采用单点接地，避免模拟地(AGND)和数字地(DGND)之间有电压存在. 如果不用D0、D1，可以把其当作输入接地. 如果不用和/引脚，可以使其直接接数字电压输入端(DVDD). 图5为ADS1255的典型应用电路连接图.3.2 ADS1255的应用程序虽然ADS1255具有非常强大的功能，但是应用非常容易. ADS1255的选通可以通过硬件使CS脚接地，也可以通过软件选通. 同理，ADS1255的复位也有两种方式，RESET脚接地或者软件复位. 通过ADS1255的自校准命令，可以纠正内部和外部的漂移和增益错误. 通过写寄存器命令可以初始化状态寄存器STATUS，选择是否开启输入缓冲和输出字节的顺序等；同理可以初始化模拟多路开关MUX，选择模拟输入通道；还可以初始化AD控制寄存器ADCON，选择可编程放大倍数、是否开启传感器检测和是否选择时钟输出等；最后还可以初始化数据采样速度寄存器DRATE，选择采样速度. 具体的选择请参考寄存器状态图.ADS1255的参考应用程序如下所示：void main(void){union { long rlong;struct { unsigned char hbyte; // High byteunsigned char mbyte; // Middle byteunsigned char lbyte; // Low byteunsigned char zbyte; // Zero byte}bytes;}adc_result;ADS1255_RESET=0;ADS1255delay();ADS1255_RESET=1;ADS1255_CS=0;InitADS1255()；ADS1255_Write_Byte(CMD_SELFCAL);while(ADS1255_DRDY == 1);while(ADS1255_DRDY == 0);ADS1255_Write_Byte(CMD_RDATA);adc_result.bytes.hbyte = ADS1255_Read_Byte();adc_result.bytes.mbyte = ADS1255_Read_Byte();adc_result.bytes.lbyte = ADS1255_Read_Byte();printf("\n%08.4fmV",sliding_filter((float)adc_result.rlong/4.0 *5000.00 /0x7fffffff));}图5 ADS1255典型应用西南民族大学学报·自然科学版4 小结通过笔者的实验，在使用ADS1255时，应注意以下几点：1)在ADS1255片外要将模拟地AGND和数字地DGND连接在一起，若AGND和DGND之间有电压存在，将造成ADS1255无法正常工作.2)在印刷电路板布线时，应将外部晶振尽可能地靠近ADS1255，否则将影响输入的幅值大小，当幅值太小时，可以通过减小接入晶振两端的电容来增大其幅值，其范围应在0～20uF，典型值晶振为7.68M，接入电容为18pF.3)为了得到最佳的转换结果，每次改变初始寄存器值时，例如改变输入通道，最好自校准一次.4)ADS1255的参考电压V REF＝V REFP－V REFN，一般在0～5V范围内，典型值为2.5V. 高质量的参考电压对获得最高的转换性能是至关重要的，噪声和漂移都将降低系统性能. 在实际应用中，特别是在采样速度较低的情况下，一定要对参考电压产生电路作特殊处理，以免影响系统性能.5)在使用ADS1255处理微小信号时，最好采用比例测量，最好在DRDY由高变低时读数据.参考文献：[1] 黄正瑾. 在系统编程技术及应用[M]. 南京: 东南大学出版社, 1997.[2] 徐爱钧，彭秀华. Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.[3] 胡伟，季晓衡. 单片机C程序设计及应用实例[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2003.[4] 王幸之，王雷，钟爱琴，等. 单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.[5] 求是科技. 单片机典型模块设计实例导航[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2004.[6] 戴佳，戴卫恒. 51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.24-Bit A/D converter ADS1255 and it’s applicationHE Jian, HU Yan, ZHOU Chao(Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307, P. R. C. )Abstract：ADS1255 is low-power-dissipation, high-resolution, 24-bit, and Δ-∑analog-to-digital converter, provided by Texas Instruments, which integrate input multiplexer, analog input buffer, programmable gain amplifier and programmable digital filter. This article introduces its principal features , operational principle, typical example of application and application program, and provides the principal points of use and design experience.Key words: A/D converter; delta-sigma; ADS1255; sampling rate; serial peripheral interface。
