高精度模数转换器在压力信号采集系统中的应用★

陈亮 ，高国旺 ，马认琦 ，刘景超 ，张玺亮

（1 西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室 陕西 西安 710065；2 中海油能源发展有限公司 河北 天津300450）

0 引言

ADS1255模数转换器采样精度高，转换速度快，接口简单方便，芯片内部集成可编程增益放大器和可编程数字滤波功能，是一款高性能的模数转换器。适用于科学仪器、工艺控制、医疗设备与秤重设备等要求苛刻应用领域。

1 芯片的硬件接口设计

压力信号采集系统的功能框图如图1所示。电路板由传感器和信号调理单元、A/D转换单元、单片机控制和处理单元、存储单元、时钟和复位单元、串口通讯单元以及供电单元等组成。

图1 压力信号采集系统功能框图

压力传感器接收来自流体的压力信号并将压力信号转换成电压信号，电压信号经过放大和滤波后传送到高精度A/D转换芯片的模拟信号输入端。单片机控制A/D转换芯片采样，将模拟信号换算成数字信号。时钟芯片为单片机提供时间。单片机将A/D转换芯片采样所得压力信号存储在存储单元。通讯单元为单片机与PC或其他CPU通信提供接口。

主控芯片采用Microchip公司的PIC16F877，它是一款低功耗，高可靠性，硬件资源丰富的8位单片机。

高精度模数转换电路采用TI 的ADS1255。ADS1255是德州仪器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)。其由模拟多路开关(MUX)、输入缓冲器(BUF)，可编程增益放大散PGA)、四阶0-E调制器再加一个数据速率以及多种功能，为设计人员提供了全套高精医疗设备与秤重设备等要求苛刻的工业应用领域。

ADS1255和PIC单片机的接口如图2所示。PIC16F877的RB1引脚与ADS1255的14脚相连，当RB1为低电平时就将芯片ADS1255选通，否则ADS1255处于不工作的低功耗状态。当ADS1255模数转换完毕时，ADS1255的15脚出现低电平，否则高电平。 PIC16F877通过检测这个电平判断是否转换完毕，一旦检测到转换完毕PIC16F877就可以利用SPI总线（RC3、RC5、RC4）读ADS1255内转换好的数据。

图2 ADS1255和PIC单片机的硬件接口

2 软件流程设计

单片机对ADS1255的操作主要通过对ADS1255内部4个独立寄存器的设置来完成。4个主要寄存器有：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。4个寄存器的地址和各bit位的功能如表1所示。

状态寄存器的地址是十六进制的00H，寄存器的高4位是代表芯片身份识别的编号，芯片出厂时厂家已设定。ORDER位为数据输出顺序选择位，ACAL位为自动校准选择位，BUFFER位为输入缓冲选择位，DRDY位为转换数据状态位，此位完全复制DRDY引脚的状态。其他寄存器的地址和各bit位功能类似，具体情况参见TI的芯片手册。

数据采集系统的软件流程图如图3所示。

图3 数据采集系统的软件流程图

初始化包括单片机端口的初始化以及与SPI相关的寄存器的初始化。ADS1255的选通可以通过硬件将片选脚接地，也可以通过软件选通。同理，ADS1255的复位也有两种方式，将复位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。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；还可以初始化数据采样速度寄存器DRATE，选择采样速度。如果没有特殊要求，一般用ADS1255寄存器的默认值即可完成基本的模数转换功能。

表1 4个主要寄存器的地址和功能

3 实验结果

本文设计的系统通过了现场试验的测试。图4是压力信号采集系统在井下500m处采集的一段压力脉冲波形。横轴是时间，单位是秒，纵轴是压力值单位是MPa。通过对比地面发送的压力信号和井底采集到的压力信号可以看出采集到的信号是正确的。压力信号采集系统在井下工作稳定可靠，采集了大量宝贵的有用数据，为下一步的分析和研究提供了依据。

图4 接收并存储的压力脉冲波形

4 结束语

为了得到ADS1255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。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。特别注意要为VREFN和VREFP提供干净的电源，电源必须具有极低的噪声和温漂，否则将会直接影响ADS1255的性能。在信号输入端要采用如图2所示的RC低通滤波器来限制高频噪声，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[1]。

[1]何建,胡焱,周超.24位A/D转换器ADS1255及其应用[J].西南民族大学学报：自然科学版, 2006 (05).

[2]金忠,章国宝.基于ADS1255的地震信息采集模块设计[J].电子设计工程, 2009 (10).

[3]张磊.数字芯片ADC模块的常见失效分析[J].电子测试, 2009 (03).

[4]李海真,孙运强,许鸿鹰.高精度多路温度采集模块硬件电路设计[J].电子测试, 2008 (12).

[5]刘鉴旭,姜宝钧,邓兴成.高精度模数转换器ADS1211[J].实验科学与技术, 2006 (S1).

[6]耿籍.高速ADC采集系统电路设计的考虑及分析[J].山西电子技术, 2010 (01).

[7]郭斌,欧阳烨.微弱信号调理电路和模数转换电路的探讨[J].微计算机信息, 2008 (23).

[8]张金利,景占荣,梁亮,张玉瑞.微弱信号的调理电路设计和噪声分析[J].电子测量技术, 2007 (11).