摘 要： 針對紅外信號傳感器輸出信號較弱且變化范圍大的特點，介紹了一種基于16位A/D 轉換器CS5521的可編程紅外信號檢測電路的設計方法。
關鍵詞： CS5521A/D轉換器 可編程增益放大器 紅外信號檢測
雙色紅外探測是一種高抗干擾的熱源探測。由于熱源溫度高低、傳播距離遠近以及傳播媒介等的不同，紅外性能亦不同，所以紅外傳感器輸出信號較弱且變化范圍大(0.1μA～1mA)。因此，要求信號檢測電路具有低噪聲、低零漂、高抗噪及大范圍增益可調等性能。這類電路一般由電流—電壓轉換模塊、可編程增益放大模塊和A/D轉換模塊組成。若將各部分用不同芯片來設計，電路不僅功耗大、體積大，而且參數調整和性能補償都較復雜。如果選用美國Crystal公司推出的CS5521 A/D轉換芯片，設計紅外信號檢測電路，可克服上述缺點。
1 CS5521簡介
CS5521芯片為20腳PDIP或SSOP封裝。其結構如圖1所示，由多路復用器、20倍斬波穩定測量放大器，可編程增益放大器(PGA)、帶有數字濾波器的16位Δ－Σ A/D轉換器及片上校驗電路(Calibration)和寄存器構成。
1.1 主要性能
·16位A/D轉換精度。
·串行接口。
·兩個差分輸入物理通道。每個通道可自校驗和系統校驗。可設定四個邏輯通道，可多通道自動循環轉換。
·6種緩沖單/雙極輸入范圍：25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V。
·轉換數據FIFO(先入先出)，最高輸出頻率為303Hz(此時接100kHz晶振)。
·單電源＋5V模擬供電，＋5V或＋3V數字供電。
·可按如圖2(a)設計成自身提供負電源，在NBV端產生－1.8V～－2.5V的電壓，從而使片上測量放大器能夠測量≤±100mV 的以地為參考的雙極性信號。
·功耗：5.5mW
1.2 片內寄存器
· 8位只寫指令(Command)寄存器、用于存放供片內微處理器使用的指令。指令最高位為‘0’時，為讀寫其它寄存器指令；最高位為‘1’時，為啟動A/D轉換指令或校驗指令。
·24位可讀寫配置(Configure)寄存器、用于設置斬波頻率、邏輯通道數、多通道循環轉換、負電源及軟件復位。
·24位×2可讀寫通道設置(Channel Setup)寄存器，用于設置各邏輯通道的輸入范圍、循環轉換時的輸出率及與其對應的物理通道號(設置時用到配置寄存器中的邏輯通道數，所以此寄存器應在配置寄存器設置之后設置)。
·只讀先入先出數據輸出(FIFO Data Output)寄存器組、讀數時先送8個脈沖用于清除SDO，后送24×N(循環邏輯通道數)個脈沖用于讀數。24位數據的前16位是轉換結果，后8位包含物理通道、振蕩探測及輸入界限檢驗等信息。
·24位可讀寫增益(Gain)寄存器，每個物理通道各一個。用于存放校驗所得的增益值。
·24位可讀寫偏置(Offset)寄存器，每個物理通道各一個，用于存放校驗所得的偏置值。
2 CS5521在紅外信號檢測中的應用
雙色紅外檢測系統原理如圖3所示，被測物體發出的紅外波，經光學元件匯聚到紅外探測器，紅外探測器將紅外光信號轉換成電信號，再由檢測電路處理得到目標的紅外信息。
2.1硬件電路
檢測電路如圖4所示。圖中，雙色紅外探測器(InGaSn、Si)是電流源，兩路信號電流分別經串接電阻R1、R2(或串接R1′、R2′)形成電壓差，它們作為CS5521兩通道的差分輸入信號。電容C1、C2與電阻并聯以抑制高頻干擾。將NBV端接地，在使用25mV、55mV、100mV 三個量程時，輸入共模電壓要在1.85V～2.65V之間，由LM385－2.5產生2.5V電壓來滿足。
考慮到所測紅外信號強弱差異，僅靠CS5521片內放大器增益調節不能滿足、故加開關MAX4580來改變串接電阻大小。信號電流(≥5μA 時，僅R1、R2接入；信號電流＜5μA時，由89C2051 的P1.3腳控制接入R1′、R2′來檢測微弱信號。可通過CS5521自校驗來實現自調零和增益設定。若要測每個通道信號的精確值，除2.5V量程外都需要進行系統校驗，否則可能產生多達20%的增益誤差。系統校驗時，外部需要提供如圖2(b)、圖2(c)所示的精確基準電路。校驗結束后，將各量程的偏置值和增益值存入2051的程序中，在轉換量程時將相應值送入各自寄存器即可。若僅需信號的相對值，可進行在線自校驗。整個電路由20腳的89C2051來控制。/CS端始終有效，SCLK為串行時鐘輸入端，SDI為CS5521串行命令/數據輸入端，SDO為CS5521數據輸出端(空閑時為高電平，高電平向低電平轉變用來指示芯片A/D轉換數據可取或校驗結束)。
2.2 軟件實現
軟件主要包括系統復位初始化模塊、A/D轉換控制模塊、數值處理模塊。因為A/D轉換控制和數值處理與具體應用緊密相關，限于篇幅在此不作重點介紹。
初始化分為上電自動復位初始化、軟件復位初始化和端口復位初始化。CS5521在上電區間會自動復位到一定狀態。是否已正確復位可通過讀取Configure寄存器的數據并測試其是否為000040H來判斷(也可僅測試Configure 寄存器的RV位是否有效來判斷，筆者認為，為可靠起見，應比較所有內容)。可將Configure 寄存器的RS位置″1″來實現軟件復位。此時正確復位的標志是Configure 寄存器的內容為0000C0H。注意：軟件復位后應將RS 位清零。端口復位強制CS5521進入命令接收狀態，可用于錯誤處理。它由微處理器向CS5521連續發送15字節″11111111″，加一字節″11111110″來實現。
如下是軟件復位程序片段：
LCALL INITPORT;端口復位，進入命令狀態。
MOV 20H、#00000011B;#00000011B為寫Configure寄存器命令字。
LCALL WCOMM ;發送寫命令字、20H、21H、22H為命令/數據緩存寄存器組。
MOV 20H、#00110000B ;置Configure寄存器內容。
MOV 21H、#00010000B;
MOV 22H、#10000000B ;22H單元第7bit為RS位，現為有效。
LCALL W24 ；寫24位Configure寄存器。
LCALL DELAY1 ；延時＞復位時間(2006個時鐘周期)。
MOV 20H、#00001011B ;#00001011B為讀Configure寄存器命令字。
LCALL WCOMM ；發送讀命令字。
LCALL RD24 ；讀24位Configure寄存器。
LCALL ACOMP ；與標志字比較，相等則置標志位C＝″1″；否則 C＝″0″。
JNC ERROR1 ;若復位錯，則轉錯誤處理，可在端口復位后再軟件復位。
MOV 20H、#00000011B ;#00000011B為寫Configure寄存器命令字。
LCALL WCOMM ；發送寫命令字。
MOV20H、#00110000B ;置Configure寄存器內容。
MOV 21H、#00010000B ;
MOV 22H、#10000000B ;22H單元第7bit為RS位，現為無效。
LCALL W24 ;寫24位Configure寄存器，清除RS位。
如下是啟動單通道、非循環A/D轉換及讀數片段：
LCALL INITPORT ；強制進入命令狀態。
MOV 20H、#10000000B ；啟動0邏輯通道轉換命令。
LCALL WCOMM ；寫命令。
LCALL DELAY2 ；延時＞轉換時間。
JB P1.2、ERROR2 ;正確轉換后、SDO(P1.2)變為低，否則轉錯誤處理。
LCALL RD8 ;發8個脈沖以清除SDO 標志。
LCALL RD24 ;讀24位數據。
采用上述方法設計的檢測電路，當紅外探測器輸出電流為0.1μA～1mA時，差分輸入電壓為10mV～2V。能夠完成雙色紅外信號的檢測。
基于CS5521設計的雙色紅外信號檢測電路結構簡單、體積小、設置靈活、工作可靠。CS5521可在速度要求不高、信號變化大的弱信號檢測中獲得廣泛應用。
參考文獻
1 余永權.Flash 單片機原理及應用.北京：電子工業出版社，1997.10
2 控制與測量新技術研討會文集、1999.8