基于AD7888的高穩(wěn)定度激光器多路監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于AD7888的高穩(wěn)定度激光器多路監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)功能簡介在高穩(wěn)定度激光器的研制中,實時監(jiān)測激光器的工作狀態(tài)是需要重點關(guān)注的問題。本系統(tǒng)實現(xiàn)了高穩(wěn)定度激光器溫度控制系統(tǒng)、激光管工作電流、工作電壓、激光器光功率的實時精確監(jiān)測，以及激光器工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)串行上傳的功能。其中電流設(shè)定值和實際工作電流的觀測可以更好地確定激光器的工作狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)的實時監(jiān)測是利用AD模數(shù)轉(zhuǎn)化器實現(xiàn)的。對于AD芯片的選擇，需要綜合設(shè)計諸項因素，系統(tǒng)技術(shù)指標、成本、功耗、安裝等，最主要的依據(jù)還是速度、精度以及需要的通路。由于系統(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)是緩慢變化的信號，所以速度的要求不

2、高，主要是精度的要求和多通路的要求，所以選擇了美國模擬器件AD公司推出的一款8路單端模擬輸入的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7888，VREF(+)為+5V時，其精度能達到1/2125V=0.00122V，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要。LCD使用OCM416，4行16字符的液晶顯示模塊，使用兩個按鍵控制不同監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的切換。數(shù)據(jù)存儲器使用的是AT28C256，容量為256MB，在EEPROM中將存儲器分為8個區(qū)域，按照實時時鐘的節(jié)拍存儲上傳給PC的采樣數(shù)據(jù)。在PC端可以遠程直接監(jiān)控激光器的工作狀態(tài)。與PC間的數(shù)據(jù)通信采用的是串行方式，從MCU的TX和RX端CMOS電平到PC的標準RS232電平的轉(zhuǎn)換器件選用

3、Maxim公司的MAX232。由于MCU的外圍器件比較多，以及考慮了以后的擴展，這里使用了CPLD芯片進行了器件片選的地址譯碼和液晶屏的控制信號的生成。AD7888的特點AD7888是美國模擬器件AD公司推出的一款高速低功耗12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在+2.7+5.25V單電源模式下工作，見圖2。其最大轉(zhuǎn)換速率可達到125k SPS。AD7888的輸入采樣/保持電路在500ns內(nèi)獲取一個信號，采用單端采樣模式，包含8個單端模擬輸入，從AIN1到AIN8，模擬輸入電壓從0VREF。AD7888內(nèi)部具有用做A/D轉(zhuǎn)換的換的2.5V基準電壓源，REFIN/REFOUT管腳允許用戶訪問這個基準。另外，該管

4、腳也可以使用外部基準電壓，范圍從1.2V到VDD。CMOS的制造工藝確保了低功率消耗，正常工作時為2mW，掉電狀態(tài)下為3W。該器件采用16腳SOIC和TSSOP外形封裝?？梢赃x擇多種電源管理模式（包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后自動處于掉電模式），與多種串行接口兼容，如SPI/QSPI/MICOWIRE/DSP。AD7888引腳功能及符號說明見圖3、表1、表2。 圖2 AD7888模數(shù)轉(zhuǎn)換器 圖3 控制器位功能描述表1 AD7888模數(shù)轉(zhuǎn)換器管腳表2 引腳符號及說明在AD7888中，控制寄存器是8位的只寫寄存器。數(shù)據(jù)在時鐘周期信號的上升沿從AD7888的DIN引腳載入，在此同時獲取外部模擬量轉(zhuǎn)換的結(jié)果。每次數(shù)據(jù)

5、的傳輸需要準備16個連續(xù)時鐘信號。數(shù)據(jù)只能在片選信號下降沿之后的前8個時鐘脈沖的上升沿裝入控制寄存器。串行接口：在圖4中顯示了詳細的串行接口時序圖，串行時鐘提供了轉(zhuǎn)換時序，且控制AD7888轉(zhuǎn)換信息的輸入輸出。CS初始化數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)換處理。在其下降沿之后的1.5個時鐘周期開始采樣輸入信號，這段時間表示為tACQ（獲取時間）。這是從DIN輸出到控制寄存器的MSB位為DONTC一個原因。在自動關(guān)斷模式下獲取時間必須要慮及5s的喚醒時間。整個轉(zhuǎn)換過程還需要14.5個時鐘周期來完成。上升沿之后，總線返回高阻狀態(tài)。如果繼續(xù)保持低電平，則準備新一輪的轉(zhuǎn)換。進行采樣的輸入通道的選擇是提前寫入控制寄存器的，因

6、此在轉(zhuǎn)換時，用戶必須提前寫入以備通道的轉(zhuǎn)換。也就是說，在進行當前轉(zhuǎn)換時，用戶就必須提前寫入通道的地址以備下次轉(zhuǎn)換使用。設(shè)計中初始化時，先做一次寫控制寄存器的操作，將需要轉(zhuǎn)換的通道信息寫入控制寄存器中。寫信息到控制寄存器應該在數(shù)據(jù)傳送的前8個SCLK上升沿進行?？刂萍拇嫫鹘?jīng)常在數(shù)據(jù)傳送發(fā)生時進行寫操作。從器件中讀數(shù)據(jù)時用戶必須經(jīng)常仔細地在PIN線上設(shè)置正確的信息。接口與驅(qū)動串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola公司推出的一種同步串行接口。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以其實現(xiàn)軟件就相當簡單。AD7888與多種

7、串行接口兼容，可以根據(jù)使用的控制芯片在設(shè)計中靈活的使用，從經(jīng)濟的角度出發(fā)選擇普通的MCU芯片AT89S52，使用程序可方便地實現(xiàn)對SPI總線的控制。 圖4 串行接口時序圖AD7888與MCU之間的接口關(guān)系如圖5所示。為了能夠獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，AD7888與MCU之間加入光隔離器。光隔離器件采用的是隔離電壓高、速度快、共模抑制性強的6N137。由于6N137的速度快，編程中不需要進行延時就能滿足光隔離器的電平建立時間。試驗表明通過光隔離器，獲得的穩(wěn)定數(shù)據(jù)能夠增加34位(二進制位)。AD7888的CS接地，使AD888始終工作在SPI接口模式。對每個接口模塊的控制是通過74LSl25的三態(tài)允許端來實

8、現(xiàn)的。對其中一個SPI接口操作時，使其74LSl25處于選通狀態(tài)，而其他SPI接口的74LSl25處于高阻狀態(tài)。這樣可實現(xiàn)微處理器單獨對一個接口進行操作，而不影響其他接口。CPU通過對三態(tài)緩沖器74LSl25控制，可實現(xiàn)多個接口共用相同的數(shù)據(jù)線。AD7888所采樣的七路電壓信號經(jīng)過分壓以后電壓都在2.5V以內(nèi)，所以這里可以直接使用芯片內(nèi)置的+2.5V參考電壓，在程序中必須將控制器的REF位置清為“0”。 圖5 AD7888與MCU連接圖子程序入口參數(shù)Adcaddres通過設(shè)置控制寄存器來修改采樣通道和工作模式unsigned int get_ad(unsigned char Adcaddres

9、) /寫入控制字和讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)unsigned char i,j;unsigned char Strdatah,Strdatal,Tempdata;unsigned int Strdata;Tempdata=00;Strdatah=00;Strdatal=00;Strdata=0;Ad_cs(0);/使能AD7888片選有效Ad_sclk=1;for(i=0;ii); /先移出最高位Ad_sclk=0;for(j=0;j2;j+);Ad_sclk=1;for(j=0;j2;j+);Strdatah=Ad_dout;Strdatah=Strdatah(7-i);Tempdata=Tempdata

10、 | Strdatah;Strdatah=Tempdata;Tempdata=00;for(i=0;i8;i+)/從AD7888中讀取低8位采樣碼Ad_sclk=0;for(j=0;j2;j+);Ad_sclk=1;Strdatal=Ad_dout;Strdatal=Strdatal(7-i);Tempdata=Tempdata | Strdatal;for(j=0;j=8,unsigned int datasLEN; /因此用指針記錄而不是直接記錄最大值和最小值unsigned int average=0; /清零，用來計算平均值pmax=0;pmin=0;for ( pdat=0;pdat

11、LEN;pdat+)/采樣所得數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)表中 dataspdat = get_ad(Adcaddres); DelayMs(006); for(i=0;i0;i-) if(datasi-1dataspmax)/記錄數(shù)組中最大值的下標pmax=i-1;if(datasi-1SHIFT); /求算術(shù)平均值設(shè)計中需要注意的問題單片機連接多個外圍芯片時需要注意幾個問題，首先要保證這幾個外設(shè)的使能有效信號絕對區(qū)分開來，通過CPLD譯碼產(chǎn)生片選來激活不同的外設(shè)，否則多個外設(shè)的數(shù)據(jù)就會同時出現(xiàn)在數(shù)據(jù)總線上，造成數(shù)據(jù)沖突，接受錯誤，其次要從地址上區(qū)分開對外部設(shè)備寄存器的讀寫操作，同一時刻不能對多個外設(shè)進行讀或?qū)懖僮?。由于AD7888是高分辨率的ADC，因而電源的耦合電路