多通道A/D轉換控制模塊的設計與實(shí)現

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

　　1 硬件設計

　　多通道A／D轉換控制模塊的硬件總體結構如圖1所示，主要包括模擬信號電路、8通道12位串行A／D轉換器ADS7844和MC143150 Neuron芯片。設計中利用8通道12位串行A／D轉換器ADS7844實(shí)現模擬量的數字化轉換，同時(shí)利用MC143150 Neuron芯片對ADS7844的8通道模擬輸入量的數字化轉換結果進(jìn)行循環(huán)采集，實(shí)現多個(gè)模擬量數據的并行采集、分析與處理，較大程度地滿(mǎn)足了應用現場(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位串行模數轉換器。它有8個(gè)模擬輸入端，可編程設置為8通道單端輸入或4通道差分輸入的A／D轉換器，還可編程使芯片處于低功耗電源工作模式。ADS7844的轉換率可達200 kHz，而線(xiàn)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，當器件被設置為單端輸入時(shí)，這些引腳可分別與信號地COM構成8通道單端輸入A／D轉換器；當器件被設置為差分輸入時(shí)，利用CH0～CH1、CH2～CH3、CH4～CH5和CH6～CH7可構成4通道差分輸入A／D轉換器；

　　COM：信號地；

　　VREF：參考電壓輸入端，最大值為電源電壓；

　?。浩x端，低電平有效，該腳為高電平時(shí)，其他數字接口線(xiàn)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(xiě)入ADS7844，并將轉換結果從中讀出；

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

　　DOUT：串行數據輸出端，在片選有效時(shí)，轉換結果在DCLK的下降沿開(kāi)始被逐位從ADS7844移出；

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

　?。弘娫搓P(guān)閉端，低電平有效。當SHDN為低電平時(shí)，ADS7844為低功耗狀態(tài)；

　　VCC，GND：分別為電源端和數字地。

　　(2)ADS7844的控制字。

　　通過(guò)ADS7844的控制字可以設置其信號聯(lián)結方式、選擇數據轉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)分別對應8個(gè)通道，對應關(guān)系見(jiàn)表2，而對于差分輸入，CH0～CH1、CH2～CH3、CH4～CH5、CH6～CH7分別對應差分信號的輸入端，其對應關(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的轉換時(shí)序圖。

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

　　1．2 MC143150 Neuron芯片

　　MC143150 Neuron芯片是Motorola公司成熟的VLSI設備，集成了硬件和固件，提供了完整的系統資源，3個(gè)管線(xiàn)處理器，其中一個(gè)用于執行用戶(hù)編寫(xiě)的應用程序、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只引腳與應用指定的外部硬件相連，可以配置直接I／O對象、并行雙向I／O對象、串行I／O對象等多種工作方式，從而可以借助最少的外接電路實(shí)現靈活的輸入輸出功能。

　　為了便于現場(chǎng)應用，將MC143150 Neuron芯片、收發(fā)器Transceiver、定時(shí)器以及存儲器集成在一起，如圖3 所示。其中Clock給MC143150 Neuron芯片提供工作基準時(shí)鐘信號，RAM／ROM等存儲器用于存放MC143150 Neuron芯片的固件與用戶(hù)應用程序，Transceiver用于模塊間網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，I／O調處與A／D轉換器ADS7844的對應數據端口、外圍電源、MC143150 Neuron芯片的Reset和Service控制按鍵相連接，維護MC143150 Neuron芯片的正常工作以及實(shí)現端口數據的采集、分析和處理等功能。

2 軟件設計

　　Neuron C是專(zhuān)門(mén)為Neuron芯片設計的編程語(yǔ)言，它以ANSI C為基礎，包括對ANSI C的擴展，可直接支持Neuron芯片的軟件固化。Neuron C定義了多種I／O對象類(lèi)型，如直接、計數器／計時(shí)器、串行和并行。下面介紹MC143150 Neuron芯片對ADS7844的8個(gè)通道工作在差分輸入方式下進(jìn)行循環(huán)采樣的程序設計過(guò)程。

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

　　2．1 Neurowire輸入／輸出對象語(yǔ)法結構定義

　　IO_8：Neurowire輸入／輸出對象使用管腳IO_8～IO_10，IO_8指定時(shí)鐘管腳，IO_9是串行數據輸出管腳，IO_10是串行數據輸入管腳。

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

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

　　Select(pin-nbr)：為Neurowire master指定片選管腳，為IO_0～IO_7管腳之一。

　　Timeout(pin-nbr)：為Neurowire Slave指定一個(gè)可選擇的超時(shí)信號管腳，其范圍是IO_0～IO_7。當使用超時(shí)信號管腳時(shí)，當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。對于10 MHz的Neuron芯片輸入時(shí)鐘，缺省值為20 kb·s-1。

　　Clockedge(+|-)：指數據觸發(fā)時(shí)鐘信號極性，clockedge(+)為上升沿，clockedge(-)為下降沿。

　　io-object-name：由用戶(hù)為該I／O對象指定的名字。

　　2．2 采樣的程序清單

　　3 結束語(yǔ)

　　目前，該多通道A／D轉換控制模塊通過(guò)長(cháng)時(shí)間運行測試，其性能可靠，故障率低，節約能耗，實(shí)現了多個(gè)模擬量轉換、采集與處理功能，給現場(chǎng)自動(dòng)化控制系統的集成帶來(lái)較大的靈活性。