通過模數(shù)轉換器實現(xiàn)高穩(wěn)定度激光器多性能監(jiān)測系統(tǒng)的設計

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)結構圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的實時監(jiān)測是利用AD模數(shù)轉化器實現(xiàn)的。對于AD芯片的選擇，需要綜合設計諸項因素，系統(tǒng)技術指標、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)轉換器AD7888，VREF（+）為+5V時，其精度能達到1/212×5V=0.00122V，完全滿足系統(tǒng)設計的需要。LCD使用OCM4×16，4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電平的轉換器件選用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)轉換器，可以在+2.7～+5.25V單電源模式下工作，見圖2。其最大轉換速率可達到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0～VREF。AD7888內(nèi)部具有用做A/D轉換的換的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3μW。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。

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換的結果。每次數(shù)據(jù)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，串行時鐘提供了轉換時序，且控制AD7888轉換信息的輸入輸出。

CS初始化數(shù)據(jù)傳送和轉換處理。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。在自動關斷模式下獲取時間必須要慮及5μs的喚醒時間。整個轉換過程還需要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，因此在轉換時，用戶必須提前寫入以備通道的轉換。也就是說，在進行當前轉換時，用戶就必須提前寫入通道的地址以備下次轉換使用。設計中初始化時，先做一次寫控制寄存器的操作，將需要轉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線上設置正確的信息。

接口與驅動

串行外圍設備接口SPI（serial peripheral inteRFace）總線技術是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與多種串行接口兼容，可以根據(jù)使用的控制芯片在設計中靈活的使用，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。

AD7888與MCU之間的接口關系如圖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3～4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”。

子程序入口參數(shù)ADCaddres通過設置控制寄存器來修改采樣通道和工作模式

程序中把寫控制寄存器通知采樣某通道和讀出上次轉換的高位有效數(shù)據(jù)同時進行，提高了轉換的速度，使應用程序編程更加高效。

當電源不穩(wěn)定或者電路出現(xiàn)干擾的時候，AD7888輸出的采出碼將出現(xiàn)波動，使得采樣效果變差，這時可以在讀數(shù)據(jù)時采用防脈沖干擾移動平均值法數(shù)字濾波，即加入后置濾波器，使效果得以改善。下面是相關的程序。

子程序入口參數(shù)Adcaddres通過設置控制寄存器來修改采樣通道進行數(shù)字濾波

設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，否則多個外設的數(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)分開對外部設備寄存器的讀寫操作，同一時刻不能對多個外設進行讀或寫操作。

由于AD7888是高分辨率的ADC，因而電源的耦合電路尤為重要。因此在印制電路板設計時，應對所有的模擬電源輸入加一級去耦電路，即用10μF鉭電容和0.1μF陶瓷電容并聯(lián)到地。這些去耦電路的元件應盡可能靠近芯片的電源引腳，這樣才能獲得更好的去耦效果，并消除引線過長帶來的干擾。

本系統(tǒng)介紹的技術已在高穩(wěn)定度激光器多路監(jiān)測中得到了應用，它不但提高了系統(tǒng)抗干擾性和數(shù)據(jù)的測量精度，而且由于結構簡單也給維護帶來了便利。