ICL7135的串行采集方式在單片機(jī)電壓表中的應(yīng)用

　　摘要：介紹了對A/D芯片ICL7135進(jìn)行串行數(shù)據(jù)采集的具體方法，同時(shí)利用該方式結(jié)構(gòu)簡單、編程簡潔、占用單片機(jī)資源少的特點(diǎn)，給出了用ICL7135與AT89C52單片機(jī)構(gòu)成電壓表系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) ADC 電壓表 ICL7135

　　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的測量周期

ICL7135的測量周期包括下列四相（節(jié)拍）：

（1）AUTO-ZERO（自動調(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（信號積分）相

　　在該相，自動調(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)輸入信號相對于轉(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（即信號積分）相開始時(shí)，ICL7135的BUSY信號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：對于不同模擬量輸入，ICL7135的BUSY信號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)動信號輸出端，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GATE倍1。此時(shí)定時(shí)器T0是否工作將受BUSY信號的控制。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。

　　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在對測量脈沖計(jì)數(shù)時(shí)不會溢出。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)果所對應(yīng)的脈沖數(shù)則應(yīng)用測量脈沖的個(gè)數(shù)減去10001。這些轉(zhuǎn)換通?？赏ㄟ^軟件完成，因此非常簡單。通過A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對應(yīng)的脈沖數(shù)可得到被測的模擬量。通過對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信號頻率為1MHz；考慮到系統(tǒng)連接方面和單片機(jī)ALE信號頻率范圍等因素，筆者取ICL7135的輸入頻率為ALE信號的四分頻，即選用125kHz。這樣選用的好處是T0定時(shí)器在對測量脈沖計(jì)數(shù)時(shí)不會產(chǎn)生溢出。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　ICL7135A/D與單片機(jī)連接電路的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序流程圖如圖5所示。

　　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)簡單、程序簡潔、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。