一线式A/D转换器DS2450的原理与应用

前言

DS2450是一线式4通道逐次逼近式A/D转换器，其输入电压范围、转换精度位数、报警门限电压可编程；每个通道有各自的存储器以存储电压范围设置、转换结果、门限电压等参数；普通方式下串行通信速率达16.3kbps，超速工作时速率达142kbps，片内16位循环冗余校验码生成器可用于检测通信的正确性；DS2450采用8引脚SOIC小体积封装形式，既可用单5V电源供电，也可采用寄生电源方式供电。电路正常工作时仅消耗2.5mW功率，不工作时消耗25μW。多个DS2450或其他功能的具有MicroLAN接口的一线式芯片可以并联，CPU只需一根端口线就能与诸多一线式芯片通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

2 DS2450的引脚排列和内部结构

DS2450为8引脚SOIC型封装，其管脚功能如下：

1脚（VDD）：工作电源接入端
2脚（N.C）：空引脚
3脚（DATA）：串行数据输入/输出端
4脚（GND）：接地端
5脚（AIN－A）：A路模拟电压输入端
6脚（AIN－B）：B路模拟电压输入端
7脚（AIN－C）：C路模拟电压输入端
8脚（AIN－D）：D路模拟电压输入端

图1 DS2450的内部结构

DS2450的内部结构如图1所示。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS2450的地址序列码；64位光刻ROM的排列是：开始8位（20H）是产品类型标号，接着的48位是该DS2450自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。光刻ROM的作用是使每一个一线式器件的地址都各不相同，以便实现一根总线上挂接多个一线式电路。

对于一线端口，在ROM功能建立之前，其它功能是无法实现的。总线控制器必须首先通过DATA引脚对DS2450提供7个ROM功能控制命令（8位）之一：（1）读ROM，命令字[33H]；（2）匹配ROM[55H]；（3）搜索ROM[F0H]；（4）跳过ROM[CCH]；（5）条件搜索ROM[ECH]；（6）超速跳过ROM[3CH]；（7）超速匹配ROM[69H]。其中，超速跳过ROM或超速匹配ROM命令执行后，串行通信速率可高达142kbps。如果多个器件连接在一线上，这些命令对每个器件的64位ROM部分进行操作，并挑选出一个特定的器件。对选中的DS2450，执行下一步的A/D转换控制命令以及读写存储器的命令，所有命令或数据的读/写均从最低位开始。

3 存储器组织方式

DS2450内部有24个地址毗连的8位存储器，可将其分成3页，每页8字节。DS2450的存储器组织方式及各位含义如表1所示（高位地址为00H）。

第0页为A/D转换结果存储器，每个通道占2个字节16位，芯片上电复位时该页清0；其中00H、01H存储A通道转换结果，LSB?A为最低位，MSB?A为最高位；02H、03H存储B通道转换结果;04H、05H存储C通道转换结果;06H、07H存储D通道转换结果，对应位含义与A通道相同。

第1页为A/D转换控制与状态存储器，08H、09H对应于A通道，其余通道依次类推，各位含义相同。RC3、RC2、RC1、RC0的组合控制A/D转换的精度位数，0000为16位、0001为1位、……、1111为15位；特别值得注意的是，若控制转换精度不足16位，则在转换结果的“低位”补0，凑足16位，因此读出结果的16位值中,哪些是有效位与RC3、RC2、RC1、RC0的组合有关。对于用作模拟量输入的通道，输出使能位OE必须为0，否则模拟输入不被接受，转换结果始终全为0，而此时输出控制位OC可以不必关心。不用作模拟量输入的通道可以作为漏极开路的数字输出端，外接上拉电阻器和工作电源，在输出使能位OE=1时，若输出控制位OC写入1，则输出高电平，OC写入0，则输出低电平。IR控制输入电压范围，IR=1时模拟输入高限为5.10V，IR=0时输入高限为2.55V。AEH、AEL分别为高、低门限电压报警允许控制端；AFH、AFL分别为模拟输入是否超过规定的高门限、低于规定的低门限的状态指示位，若输入超限，相应位自动置1。上电复位标志位POR与通道无关，上电复位时4个POR自动置1，说明控制字和门限值等未准备好，该位可用软件清0。表中为0的位无效，读出时始终为0且不能写入1。DS2450上电复位时，默认的控制/状态数据的低位为08H、高位为8CH，即4个通道均作为模拟输入通道、8位转换精度、输入高限2.55V、允许高低限报警。

第2页为各通道输入高/低限报警值存储器，10H存放A通道低门限8位报警值、11H存放A通道高门限8位报警值，其余通道依次类推，各位含义相同。在判断是否超限时，只将存储的门限值与转换结果的高8位进行比较，然后自动改变AFH、AFL的状态。上电复位时，高限值自动设置为FFH，低限值自动设置为00H。

4 转换与读/写控制

4．1转换控制

通过DS2450的DATA端串行送出转换命令字[3CH]，随后送出通道选择字和预置控制字，启动A/D转换器进行转换。DS2450的通道选择字和预置控制字的各位含义如表2所示。

在通道选择字中，对应位为1表示该通道参与转换。同时选择多个通道时，其转换顺序为A→B→C→D，未选中的通道被跳过。其A/D转换的时间可用下式近似计算：转换时间=通道数×转换精度位数×80μs＋160μs。当所有通道转换完毕，发读存储器命令可以获得转换结果和对应的状态。

表2DS2450的通道选择字和预置控制字的各位含义

（a）初始化时序

（b）写时序

（c）读时序

图2DS2450的工作时序图

图3DS2450与微处理器的典型连接图

预置控制字可以对相应通道的转换结果存储器进行预置。SET、CLR=00，不预置，保持上次转换值；SET、CLR=01，转换前预置为全0；SET、CLR=10，预置为全1；SET、CLR=11，无效组合。

4．2存储器读/写控制

读存储器命令用于读取转换结果、工作状态、门限设定值等。总线管理器首先送出读存储器命令字[AAH]，然后送出两字节的16位“起始数据”存储器地址，从总线上读取一个字节的数据后，地址自动加1，可紧接着读取下一个数据；当一页读完后，随后读取的两个字节为内部自动产生的16位循环冗余校验码，它由前面送出的命令字、地址、读取的存储器数据，根据表达式CRC16=X16＋X15＋X2＋1生成，对校验码生成和应用的详细资料可参阅相关文献。

写存储器命令主要针对第1页和第2页的存储器，目的是写入各通道的工作方式控制字和对应通道的高、低门限设定值。总线管理器首先送出写存储器命令字[55H]，然后送出两字节的16位存储器起始地址，接着逐个送出要写入的数据，其地址也是自动加1。若在刚写完一个数据后执行读操作，读出的数据应刚好为前一次写入的数据，可利用这一特点对写入和读出的数据进行比较，以判断传输的正确性。

如果通过软件校验，发现了读/写中的传输错误，则必须对芯片进行初始化，并重新进行读写操作。

4．3DS2450的工作时序

DS2450的一线工作协议流程是：初始化→ROM功能命令→存储器读写/转换控制功能命令→传输数据。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，在普通速度工作模式下，如图2（a）（b）（c）所示。

初始化时序包括总线管理器（主机）发出的复位脉冲和DS2450反馈送出的存在脉冲两部分，存在脉冲告诉主机DS2450在线且已准备好；读/写时序规定了在DS2450的DATA端串行读写数据位时的时序配合要求。

5 DS2450与单片机的典型接口设计

图3以MCS－51系列单片机为例，示出DS2450与微处理器的典型连接。其DATA端接AT89C51的P1.0，采用外接电源供电方式，其VCC端用5V电源供电。此例中仅对D通道进行A/D转换，AIN－D接模拟信号输入；AIN－A，AIN－B外接上拉电阻器和电源，其输出作为D通道的高、低限报警。

假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS2450的初始化时序、写时序和读时序，分别编写了3个子程序：INIT为初始化子程序，发送复位脉冲并接收存在脉冲；WRITE为写（命令或数据字节）子程序，READ为读数据子程序。所有要读写的命令或数据字节均放在A寄存器中(限于篇幅，略去源程序，有兴趣者可向作者索取)。

主机控制DS2450完成A/D转换一般必须经过以下几个步骤：初始化使DS2450准备好、发ROM功能命令和相应的64位光刻ROM数据选中特定芯片、写入工作方式控制字和高/低限值、发转换控制命令、读取转换值及状态。

例如，将D通道设定为5.1V输入范围、转换精度为12位、高报警门限为3.0V（96H）、低报警门限为2.0V（64H）、通道A和B作为报警输出、转换结果放在如下30H和31H的子程序CTLAD中。

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CTLAD:LCALLINIT；发复位脉冲并接收存在脉冲
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；发“跳过ROM”命令
；设置4个通道工作方式控制字，写入存储器地址从0008H开始
FSKZ：MOVA,＃55H
LCALLWRITE；发“写存储器”命令
MOVA,＃08H
LCALLWRITE；发低8位地址
MOVA,＃00H
LCALLWRITE；发高8位地址
MOVA,＃0C0H
；A通道漏极开路数字输出方式
LCALLWRITE；发A通道工作方式低字节
MOVA,＃00H
；与报警、输入范围等设置无关
LCALLWRITE；发A通道工作方式高字节
MOVA,＃0C0H
；B通道漏极开路数字输出方式
LCALLWRITE；发B通道工作方式低字节
MOVA,＃00H
；与报警、输入范围等设置无关
LCALLWRITE；发B通道工作方式高字节
MOVA,＃01H
；C通道不用，可随意设置
LCALLWRITE；发C通道工作方式低字节
MOVA,＃00H
；C通道不用，可随意设置
LCALLWRITE；发C通道工作方式高字节
MOVA,＃0CH
；D通道12位A/D转换方式
LCALLWRITE；发D通道工作方式低字节
MOVA,＃0DH
；5.1V输入范围，允许高低限报警
LCALLWRITE；发D通道工作方式高字节
；设置D通道高/低限值报警值，写入存储器地址从0016H开始
BJSZ：LCALLINIT；发复位脉冲并接收存在脉冲
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；发“跳过ROM”命令
MOVA,＃55H
LCALLWRITE；发“写存储器”命令
MOVA,＃16H
LCALLWRITE；发低8位地址
MOVA,＃00H
LCALLWRITE；发高8位地址
MOVA,＃64H
；低门限报警值2.0V（64H）
LCALLWRITE；送D通道低门限存储器
MOVA,＃96H
；高门限报警值3.0V（96H）
LCALLWRITE
；送转换控制字，启动A/D转换。
QDZH:LCALLINIT；发复位脉冲并接收存在脉冲
MOVA,＃0CCH
LCALLWRITE；发“跳过ROM”命令
MOVA,＃3CH
LCALLWRITE;发“转换控制”命令字
MOVA,＃08H
;仅D通道参与转换
LCALLWRITE；发通道选择控制字
MOVA，＃40H
;D通道转换前预置为全0
LCALLWRITE；发预置数据控制字
；读取D通道转换结果，放在31H、30H
RDDT：LCALLINTI；发复位脉冲并接收存在脉冲
MOVA，＃0CCH
LCALLWRITE;发“跳过ROM”命令
MOVA，＃0AAH
LCALLWRITE;发“读存储器”命令字
MOVA，＃06H
LCALLWRITE；发低8位地址
MOVA，＃00H
LCALLWRITE;发高8位地址
LCALLREAD
MOV30H，A
；低位转换结果放在30H
LCALLREAD
MOV31H，A
；高位转换结果放在31H
RET
……

如果一线上挂接多个DS2450和其他一线式接口芯片、采用寄生电源供电方式、工作在超速模式、通信中进行校验，则子程序CTLAD的编写就要复杂一些，限于篇幅，这一部分不再详述，请参阅文献[1][2]的相关内容。