串行采集方式在單片機(jī)電壓表中的應(yīng)用

在常用的A/D轉(zhuǎn)換芯片（如ADC0809、ICL7135、ICL7109等）中，ICL7135與其余幾種有所不同，它是一種四位半的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高（精度相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)）、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通常情況下，設(shè)計(jì)者都是用單片機(jī)來并行采集ICL7135的數(shù)據(jù)，本文介紹用單片機(jī)串行方式采集ICL7135的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電壓表和小型智能儀表的設(shè)計(jì)方案。

1 ICL7135的串行工作方式

1.1 ICL7135的測(cè)量周期

ICL7135的測(cè)量周期包括下列四相（節(jié)拍）：

（1）AUTO-ZERO（自動(dòng)調(diào)零）相

在該相時(shí)，內(nèi)部IN+和IN-輸入與引腳斷開，且在內(nèi)部連接到ANLG-COMMON，基準(zhǔn)電容被充電至基準(zhǔn)電壓，系統(tǒng)接成閉環(huán)并為自動(dòng)調(diào)零（AUTOZERO）電容充電以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓。此時(shí)，自動(dòng)調(diào)零精度令受系統(tǒng)噪聲的限制，以輸入為基準(zhǔn)的總失調(diào)小于10μV。

（2）SINGAL-INTEGRATE（信號(hào)積分）相

在該相，自動(dòng)調(diào)零環(huán)路被打開，內(nèi)部的IN+和IN-輸入被連接至外部引腳。在固定的時(shí)間周期內(nèi)，這些輸入端之間的差分電壓被積分。當(dāng)輸入信號(hào)相對(duì)于轉(zhuǎn)換器電源不反相（NO-RETURN）時(shí)，IN-可直接連接至ANJG-COMMON以便輸出正確的共模電壓。同時(shí)，在這一相完成的基礎(chǔ)上，輸入信號(hào)的極性將被系統(tǒng)所記錄。

（3）DEINTEGRATE（去積分）相

該相的基準(zhǔn)用于完成去積分（DEINTEGRATE）任務(wù)，此時(shí)內(nèi)部IN-在內(nèi)部連接ANLG-COMMON，IN+跨接至先前已充電的基準(zhǔn)電容，所記錄的輸入信號(hào)的極性可確保以正確的極性連接至電容以使積分器輸出極性回零。輸出返回至零所需的時(shí)間正比于輸入信號(hào)的幅度。返回時(shí)間顯示為數(shù)字讀數(shù)，并由1000（Vid/Vref）確定。滿度或最大轉(zhuǎn)換值發(fā)生在Vid等于Vref的兩倍時(shí)。

（4）ZERO-INTEGRATE（積分器返回零）相

內(nèi)部的IN-連接到ANLG-COMMON，系統(tǒng)接成閉環(huán)以使積分器輸出返回到零。通常這相需要100～200個(gè)時(shí)鐘脈沖，但是在超范圍（OVERRANGE）轉(zhuǎn)換后，則需要6200個(gè)脈沖。

1.2 ICL7135時(shí)序圖

圖1所示是Vid為常數(shù)時(shí)的ICL7135時(shí)序圖，由圖1可知：在Signal-Integrate（即信號(hào)積分）相開始時(shí)，ICL7135的BUSY信號(hào)線跳高并一直保持高電平，直到De integrate（去積分）相結(jié)束時(shí)才跳回低電平。在滿量程情況下，這個(gè)區(qū)域中的最多脈沖個(gè)數(shù)為30002個(gè)。其中De integrate（去積分）相的脈沖個(gè)數(shù)反映了轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖2是不同Vid值時(shí)的ICL7135時(shí)序。由圖2可見：對(duì)于不同模擬量輸入，ICL7135的BUSY信號(hào)的高電平寬度也不同。

2 與單片機(jī)系統(tǒng)的串行連接

在ICL7135與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)，如果使用ICL7135的并行采集方式，則不但要連接BCD碼數(shù)據(jù)輸出線，又要連接BCD碼數(shù)據(jù)的位驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，這樣至少需要9根I/O口線。因此，系統(tǒng)的連接比較麻煩，且編程也非常復(fù)雜。

而ICL7135的串行接法是通過計(jì)脈沖數(shù)的方法來獲得測(cè)量轉(zhuǎn)換結(jié)果的。由其時(shí)序分析可知，在Deintegrate（去積分）相，其脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)換結(jié)果具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

實(shí)際上，可以通過單片機(jī)（例如ATMEL公司的51系列單片機(jī)AT89C52）的定時(shí)器T0（也可以使用定時(shí)器T1）來計(jì)脈沖器。由于，定時(shí)器T0所用的CLK頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。因此可利用單片機(jī)（AT89C52）的ALE信號(hào)作為ICL7135的脈沖（CLK）輸入。但要注意，在軟件設(shè)計(jì)編程中，若指令中不出現(xiàn)MOVX指令，ALE端產(chǎn)生的脈沖頻率將是晶振的1/6。至此，便可找到定時(shí)器所使用的頻率與單片機(jī)系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系，以及ICL7135所需的頻率輸入與單片機(jī)系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系。

為了使定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)脈沖的ICL7135工作所需的脈沖同步，可以將ICL7135的BUSY信號(hào)接至AT89C52的P3.2（INT0）引腳上，并且將定時(shí)器T0的選通控制信號(hào)GATE倍1。此時(shí)定時(shí)器T0是否工作將受BUSY信號(hào)的控制。由上述時(shí)序圖可知，當(dāng)ICL7135開始工作時(shí)，即在積分波形的Signal-Integrate相開始時(shí)，也就是ICL7135的BUSY信號(hào)跳高時(shí)，定時(shí)器T0才開始工作，且定時(shí)器T0的TH0、TL0所記錄的數(shù)據(jù)與ICL7135的測(cè)試脈沖（從積分波形的Signal-Integrate相開始時(shí)Deintegrate相結(jié)束這一區(qū)域內(nèi)的脈沖稱為測(cè)量脈沖）存在一定的比例關(guān)系。其系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

在這種情況下，由于定時(shí)器T0和ICL7135所用的時(shí)鐘不是同一路。因此，應(yīng)當(dāng)找到定時(shí)器T0所記錄的數(shù)據(jù)和測(cè)量脈沖之間的某種比例關(guān)系。其比例關(guān)系如下：

Ftime=Fosc/12

Fale=Fosc/6

Freal=Fosc/24

Ficl=Fale/N

其中，F(xiàn)osc為系統(tǒng)晶振頻率；Ftime為定時(shí)器所用頻率；Fale為單片機(jī)ALE輸出的頻率；Freal為ICL7135的測(cè)量脈沖頻率；Ficl為ICL7135所用的輸入頻率，該頻率可通過Dale分頻得到。N為分頻比，該系統(tǒng)中N應(yīng)選為4。

圖4 ICL7135A/D轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接圖

由上述頻率之間的比率關(guān)系可知，AT98C52的定時(shí)器T0所用的頻率是ICL7135的測(cè)量脈沖頻率的兩倍。因此，定時(shí)器T0所記錄的脈沖數(shù)也是ICL7135的測(cè)量脈沖的兩倍。圖中，分頻數(shù)可根據(jù)ICL7135的要求和單片機(jī)的時(shí)鐘頻率來選擇。在這里，提倡使用四分頻，這樣可使定時(shí)器T0在對(duì)測(cè)量脈沖計(jì)數(shù)時(shí)不會(huì)溢出。若使用4以上的分頻數(shù)，則需在軟件上作一下改進(jìn)。

要得到測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù)，只需將定時(shí)器所記錄的脈沖個(gè)數(shù)除以2即可。而要得到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)則應(yīng)用測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù)減去10001。這些轉(zhuǎn)換通常可通過軟件完成，因此非常簡(jiǎn)單。通過A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)可得到被測(cè)的模擬量。通過對(duì)串行方式的討論可以看出：使用這種方法可以不再使用8255芯片來擴(kuò)展口線。其優(yōu)點(diǎn)是占用口線少，能節(jié)省系統(tǒng)的硬件資源，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，不用添加任何擴(kuò)展口線器件，從而使系統(tǒng)的成本得到降低。

3 基于單片機(jī)系統(tǒng)的電壓表設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件

圖4所示是單片機(jī)電壓表系統(tǒng)中ICL7135與單片機(jī)系統(tǒng)的典型連接示意圖。圖中，單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為6MHz，單片機(jī)的ALE信號(hào)頻率為1MHz；考慮到系統(tǒng)連接方面和單片機(jī)ALE信號(hào)頻率范圍等因素，筆者取ICL7135的輸入頻率為ALE信號(hào)的四分頻，即選用125kHz。這樣選用的好處是T0定時(shí)器在對(duì)測(cè)量脈沖計(jì)數(shù)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溢出。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該軟件流程圖由三部分組成。其中轉(zhuǎn)換子程序是在主程序中調(diào)用的，目的是為了不占用很長(zhǎng)的中斷時(shí)間。T0計(jì)數(shù)器設(shè)定為方式1、定時(shí)狀態(tài)、選通控制設(shè)為“1”。故TMOD控制字設(shè)置為“05H”。由于T0計(jì)數(shù)器用的是系統(tǒng)的晶振頻率，因此與設(shè)定為計(jì)數(shù)狀態(tài)效果一樣。

4 結(jié)束語

ICL7135的串行方式在實(shí)踐中的應(yīng)用效果很好。與并行方式相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、程序簡(jiǎn)潔、占用單片機(jī)的資源少、可提高抗干擾能力，同時(shí)可提高儀器的檢測(cè)可靠性，并且可在不添加任何擴(kuò)展口線器件的情況下使系統(tǒng)的成本得到降低。