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(diào)等性能。這類電路一般由電流—電壓轉(zhuǎn)換模塊、可編程增益放大模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成。若將各部分用不同芯片來設(shè)計，電路不僅功耗大、體積大，而且參數(shù)調(diào)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(zhuǎn)換芯片，設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示，由多路復用器、20倍斬波穩(wěn)定測量放大器，可編程增益放大器（PGA）、帶有數(shù)字濾波器的16位Δ－Σ A/D轉(zhuǎn)換器及片上校驗電路（Calibration）和寄存器構(gòu)成。

1.1 主要性能

?16位A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)校驗?？稍O(shè)定四個邏輯通道，可多通道自動循環(huán)轉(zhuǎn)換。

?6種緩沖單/雙極輸入范圍：25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V。

?轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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(shù)字供電。

?可按如圖2（a）設(shè)計成自身提供負電源，在NBV端產(chǎn)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(nèi)寄存器

? 8位只寫指令（Command）寄存器、用于存放供片內(nèi)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(zhuǎn)換指令或校驗指令。

?24位可讀寫配置（Configure）寄存器、用于設(shè)置斬波頻率、邏輯通道數(shù)、多通道循環(huán)轉(zhuǎn)換、負電源及軟件復位。

?24位×2可讀寫通道設(shè)置（Channel Setup）寄存器，用于設(shè)置各邏輯通道的輸入范圍、循環(huán)轉(zhuǎn)換時的輸出率及與其對應(yīng)的物理通道號（設(shè)置時用到配置寄存器中的邏輯通道數(shù)，所以此寄存器應(yīng)在配置寄存器設(shè)置之后設(shè)置）。

?只讀先入先出數(shù)據(jù)輸出（FIFO Data Output）寄存器組、讀數(shù)時先送8個脈沖用于清除SDO，后送24×N（循環(huán)邏輯通道數(shù)）個脈沖用于讀數(shù)。24位數(shù)據(jù)的前16位是轉(zhuǎn)換結(jié)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(yīng)用

雙色紅外檢測系統(tǒng)原理如圖3所示，被測物體發(fā)出的紅外波，經(jīng)光學元件匯聚到紅外探測器，紅外探測器將紅外光信號轉(zhuǎn)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(jīng)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(lián)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(chǎn)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(nèi)放大器增益調(diào)節(jié)不能滿足、故加開關(guān)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(xiàn)自調(diào)零和增益設(shè)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(tǒng)校驗，否則可能產(chǎn)生多達20%的增益誤差。系統(tǒng)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(jié)束后，將各量程的偏置值和增益值存入2051的程序中，在轉(zhuǎn)換量程時將相應(yīng)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(shù)據(jù)輸入端，SDO為CS5521數(shù)據(jù)輸出端（空閑時為高電平，高電平向低電平轉(zhuǎn)變用來指示芯片A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可取或校驗結(jié)束）。

2.2 軟件實現(xiàn)

軟件主要包括系統(tǒng)復位初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換控制模塊、數(shù)值處理模塊。因為A/D轉(zhuǎn)換控制和數(shù)值處理與具體應(yīng)用緊密相關(guān)，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(qū)間會自動復位到一定狀態(tài)。是否已正確復位可通過讀取Configure寄存器的數(shù)據(jù)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(yīng)比較所有內(nèi)容）?？蓪onfigure 寄存器的RS位置″1″來實現(xiàn)軟件復位。此時正確復位的標志是Configure 寄存器的內(nèi)容為0000C0H。注意：軟件復位后應(yīng)將RS 位清零。端口復位強制CS5521進入命令接收狀態(tài)，可用于錯誤處理。它由微處理器向CS5521連續(xù)發(fā)送15字節(jié)″11111111″，加一字節(jié)″11111110″來實現(xiàn)。

如下是軟件復位程序片段：

LCALL INITPORT;端口復位，進入命令狀態(tài)。

MOV 20H、#00000011B;#00000011B為寫Configure寄存器命令字。

LCALL WCOMM ;發(fā)送寫命令字、20H、21H、22H為命令/數(shù)據(jù)緩存寄存器組。

MOV 20H、#00110000B ;置Configure寄存器內(nèi)容。

MOV 21H、#00010000B;

MOV 22H、#10000000B ;22H單元第7bit為RS位，現(xiàn)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(fā)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(zhuǎn)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(fā)送寫命令字。

MOV20H、#00110000B ;置Configure寄存器內(nèi)容。

MOV 21H、#00010000B ;

MOV 22H、#10000000B ;22H單元第7bit為RS位，現(xiàn)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(huán)A/D轉(zhuǎn)換及讀數(shù)片段：

LCALL INITPORT ；強制進入命令狀態(tài)。

MOV 20H、#10000000B ；啟動0邏輯通道轉(zhuǎn)換命令。

LCALL WCOMM ；寫命令。

LCALL DELAY2 ；延時＞轉(zhuǎn)換時間。

JB P1.2、ERROR2 ;正確轉(zhuǎn)換后、SDO（P1.2）變?yōu)榈停駝t轉(zhuǎn)錯誤處理。

LCALL RD8 ;發(fā)8個脈沖以清除SDO 標志。

LCALL RD24 ;讀24位數(shù)據(jù)。

采用上述方法設(shè)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(shè)計的雙色紅外信號檢測電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、設(shè)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(yīng)用。

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