多通道A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制信號(hào)中的模擬量傳輸正逐步改為數(shù)字量傳輸，各種非數(shù)字化設(shè)備也必將逐步為數(shù)字化智能產(chǎn)品所取代。但是，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)依然有大量的數(shù)據(jù)是模擬量，例如壓力、液位、溫度等，必須通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換才能將這些數(shù)據(jù)送到控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。為滿足實(shí)際需要，本文提出利用MC143150 Neuron芯片和12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7844開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)多通道A／D轉(zhuǎn)換控制模塊，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)模擬量信號(hào)的并行采集、分析與處理功能，具有精度高和性能可靠等特點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

多通道A／D轉(zhuǎn)換控制模塊的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括模擬信號(hào)電路、8通道12位串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS7844和MC143150 Neuron芯片。設(shè)計(jì)中利用8通道12位串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS7844實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用MC143150 Neuron芯片對(duì)ADS7844的8通道模擬輸入量的數(shù)字化轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行循環(huán)采集，實(shí)現(xiàn)多個(gè)模擬量數(shù)據(jù)的并行采集、分析與處理，較大程度地滿足了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際要求。

1．1 ADS7844

ADS7844是Burr-Brown公司生產(chǎn)的寬電壓、低功耗、高性能的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有8個(gè)模擬輸入端，可編程設(shè)置為8通道單端輸入或4通道差分輸入的A／D轉(zhuǎn)換器，還可編程使芯片處于低功耗電源工作模式。ADS7844的轉(zhuǎn)換率可達(dá)200 kHz，而線性誤差和差分誤差最大僅為±1LSB。ADS7844電源電壓為2．7～5 V之間均能正常工作，最大工作電流為1 mA，進(jìn)入低功耗狀態(tài)后的耗電僅3μA。

(1)ADS7844的引腳功能。

CH0～CH7：模擬輸入端，當(dāng)器件被設(shè)置為單端輸入時(shí)，這些引腳可分別與信號(hào)地COM構(gòu)成8通道單端輸入A／D轉(zhuǎn)換器；當(dāng)器件被設(shè)置為差分輸入時(shí)，利用CH0～CH1、CH2～CH3、CH4～CH5和CH6～CH7可構(gòu)成4通道差分輸入A／D轉(zhuǎn)換器；

COM：信號(hào)地；

VREF：參考電壓輸入端，最大值為電源電壓；

：片選端，低電平有效，該腳為高電平時(shí)，其他數(shù)字接口線呈三態(tài)；

DCLK：外部時(shí)鐘輸入端，在時(shí)鐘作用下，CPU將控制字寫入ADS7844，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果從中讀出；

DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端，在片選有效時(shí)，控制字在DCLK上升沿被逐位鎖入ADS7844；

DOUT：串行數(shù)據(jù)輸出端，在片選有效時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果在DCLK的下降沿開(kāi)始被逐位從ADS7844移出；

BUSY：“忙”信號(hào)輸出端，在接收到控制字的第一位數(shù)據(jù)后變低，只有在轉(zhuǎn)換結(jié)束且片選有效時(shí)，該腳才輸出一個(gè)高脈沖；

：電源關(guān)閉端，低電平有效。當(dāng)SHDN為低電平時(shí)，ADS7844為低功耗狀態(tài)；

VCC，GND：分別為電源端和數(shù)字地。

(2)ADS7844的控制字。

通過(guò)ADS7844的控制字可以設(shè)置其信號(hào)聯(lián)結(jié)方式、選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道和電源工作模式。ADS7844控制字如表1所示。

其中，S是起始位，控制字的起始位總為“1”；A2～A0是通道選擇位，在單端輸入時(shí)分別對(duì)應(yīng)8個(gè)通道，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2，而對(duì)于差分輸入，CH0～CH1、CH2～CH3、CH4～CH5、CH6～CH7分別對(duì)應(yīng)差分信號(hào)的輸入端，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

SGL／DIF是模式控制位，該位為“1”時(shí)是單端輸入模式，為“0”時(shí)是差分輸入模式；PD1和PD0是電源模式控制位，其含義如表4所示。

(3)ADS7844的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖。

ADS7844有3種轉(zhuǎn)換時(shí)序，分別是15-時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)序、16-時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)序和24-時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)序，通常采用轉(zhuǎn)換周期為24個(gè)時(shí)鐘周期的工作時(shí)序，其中8個(gè)用于輸入控制字，16個(gè)用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，如圖2所示?？刂谱值乃形辉跁r(shí)鐘上升沿被鎖入芯片，轉(zhuǎn)換結(jié)果在時(shí)鐘的下降沿被逐位移出。所有移入和移出的數(shù)據(jù)都是高位在前、低位在后。需要說(shuō)明的是，ADS7844是12位A／D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換結(jié)果只有12位，故在移出12位結(jié)果后，還需送入4個(gè)時(shí)鐘來(lái)完成整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程，這4個(gè)多余時(shí)鐘移出的數(shù)據(jù)為“0”，使用時(shí)不應(yīng)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果處理。

1．2 MC143150 Neuron芯片

MC143150 Neuron芯片是Motorola公司成熟的VLSI設(shè)備，集成了硬件和固件，提供了完整的系統(tǒng)資源，3個(gè)管線處理器，其中一個(gè)用于執(zhí)行用戶編寫的應(yīng)用程序、另外兩個(gè)完成網(wǎng)絡(luò)中Neuron芯片間的信息交互任務(wù)。Neuron芯片通過(guò)11只引腳與應(yīng)用指定的外部硬件相連，可以配置直接I／O對(duì)象、并行雙向I／O對(duì)象、串行I／O對(duì)象等多種工作方式，從而可以借助最少的外接電路實(shí)現(xiàn)靈活的輸入輸出功能。

為了便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將MC143150 Neuron芯片、收發(fā)器Transceiver、定時(shí)器以及存儲(chǔ)器集成在一起，如圖3 所示。其中Clock給MC143150 Neuron芯片提供工作基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，RAM／ROM等存儲(chǔ)器用于存放MC143150 Neuron芯片的固件與用戶應(yīng)用程序，Transceiver用于模塊間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，I／O調(diào)處與A／D轉(zhuǎn)換器ADS7844的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)端口、外圍電源、MC143150 Neuron芯片的Reset和Service控制按鍵相連接，維護(hù)MC143150 Neuron芯片的正常工作以及實(shí)現(xiàn)端口數(shù)據(jù)的采集、分析和處理等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

Neuron C是專門為Neuron芯片設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言，它以ANSI C為基礎(chǔ)，包括對(duì)ANSI C的擴(kuò)展，可直接支持Neuron芯片的軟件固化。Neuron C定義了多種I／O對(duì)象類型，如直接、計(jì)數(shù)器／計(jì)時(shí)器、串行和并行。下面介紹MC143150 Neuron芯片對(duì)ADS7844的8個(gè)通道工作在差分輸入方式下進(jìn)行循環(huán)采樣的程序設(shè)計(jì)過(guò)程。

選用MC143150 Neuron芯片的Neurowire輸入／輸出作為I／O對(duì)象，使MC143150 Neuron芯片循環(huán)采集ADS7844輸出端口DOUT信號(hào)，實(shí)現(xiàn)與ADS7844同步全雙工串行通信。

2．1 Neurowire輸入／輸出對(duì)象語(yǔ)法結(jié)構(gòu)定義

IO_8：Neurowire輸入／輸出對(duì)象使用管腳IO_8～I(xiàn)O_10，IO_8指定時(shí)鐘管腳，IO_9是串行數(shù)據(jù)輸出管腳，IO_10是串行數(shù)據(jù)輸入管腳。

Master：指定Neuron芯片在管腳IO_8上提供時(shí)鐘，設(shè)置為輸出管腳。

Slave：指定Neuron芯片檢測(cè)在管腳IO_8上的時(shí)鐘，設(shè)置為輸入管腳。

Select(pin-nbr)：為Neurowire master指定片選管腳，為IO_0～I(xiàn)O_7管腳之一。

Timeout(pin-nbr)：為Neurowire Slave指定一個(gè)可選擇的超時(shí)信號(hào)管腳，其范圍是IO_0～I(xiàn)O_7。當(dāng)使用超時(shí)信號(hào)管腳時(shí)，當(dāng)neuron芯片等待時(shí)鐘的上升沿或下降沿時(shí)，將檢查該管腳的邏輯電平。如果檢測(cè)到邏輯電平為“1”，則傳輸停止。

Kbaud(const—expr)：為Neurowire master指定比特率，const—expr可以為1 kb·s-1、10 kb·s-1或20 kb·s-1。對(duì)于10 MHz的Neuron芯片輸入時(shí)鐘，缺省值為20 kb·s-1。

Clockedge(+|-)：指數(shù)據(jù)觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)極性，clockedge(+)為上升沿，clockedge(-)為下降沿。

io-object-name：由用戶為該I／O對(duì)象指定的名字。

2．2 采樣的程序清單

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，該多通道A／D轉(zhuǎn)換控制模塊通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，其性能可靠，故障率低，節(jié)約能耗，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換、采集與處理功能，給現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集成帶來(lái)較大的靈活性。