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ADS7844在低功耗數據采集系統中的應用
摘要：詳細介紹了１２位串行模數轉換器ＡＤＳ７８４４的結構及工作原理，給出了一個實用的低功耗數據采集系統的設計方案，同時給出了相關的硬件電路和軟件程序。關鍵詞：串行模數轉換器；數據采集系統；低功耗；ＡＤＳ７８４４
在野外以及一些沒有市電或者不適宜使用市電的應用場合，自動化儀表通常要采用電池供電，這就要求儀表中的電子元器件的功耗要低，Ａ／Ｄ轉換器作為自動化儀表的重要組成部份更不例外。筆者采用ＡＤＳ７８４４和ＰＩＣ１６Ｃ６４構成的數據采集系統便具有功耗極低、結構簡單等優點，完全可以適應電池供電系統的要求。
１ＡＤＳ７８４４的結構及工作原理
ＡＤＳ７８４４是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ公司推出的一種高性能、寬電壓、低功耗的１２－ｂｉｔ串行模數轉換器。它有８個模擬輸入端，可用軟件編程為８通道單端輸入Ａ／Ｄ轉換器或４通道差分輸入Ａ／Ｄ轉換器，其轉換率高達２００ｋＨｚ，而線性誤差和差分誤差最大僅為±１ＬＳＢ。ＡＤＳ７８４４在電源電壓為２．７Ｖ～５Ｖ之間均能正常工作，最大工作電流為１ｍＡ，進入低功耗狀態后的耗電僅３μＡ。ＡＤＳ７８４４通過６線串行接口與ＣＰＵ進行通信，而且接口簡單方便。
１．１ＡＤＳ７８４４的引腳功能
ＡＤＳ７８４４的引腳排列如圖１所示。它有２０個引腳，各引腳的功能如下：
ＣＨ０～ＣＨ７：模擬輸入端，當器件被設置為單端輸入時，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，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?
ＣＳ：片選端，低電平有效，該腳為高電平時，其它數字接口線呈三態?
ＤＣＬＫ：外部時鐘輸入端，在時鐘作用下，ＣＰＵ將控制字寫入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，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，轉換結果在ＤＣＬＫ的下降沿開始被逐位從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，該腳才輸出一個高脈沖?
ＳＨＤＮ：電源關閉端，低電平有效。當ＳＨＤＮ為低電平時，ＡＤＳ７８４４進入低功耗狀態?
ＶＣＣ，ＧＮＤ：分別為電源端和數字地。
１．２ＡＤＳ７８４４的控制字及轉換時序
ＡＤＳ７８４４的控制字如表１所列。
表1ADS7844的控制字含義
Bit7(MSB)Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0(LSB)SA2A1A0-SGL/DIFPD1PD0
ＡＤＳ７８４４的控制字共有８位，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，在單端輸入時分別對應８個通道，而對于差分輸入，０００～０１１分別對應ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ２～ＣＨ３、ＣＨ４～ＣＨ５、ＣＨ６～ＣＨ７，而１００～１１１則分別對應ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ１～ＣＨ０、ＣＨ３～ＣＨ２、ＣＨ５～ＣＨ４、ＣＨ７～ＣＨ６。Ｂｉｔ３沒有定義。ＳＧＬ／ＤＩＦ是模式控制位，該位為“１”時是單端輸入模式，為“０”時是差分輸入模式。ＰＤ１和ＰＤ０是電源關閉模式控制位，若為“００”，則表示ＡＤＳ７８４４在不進行數據轉換時自動進入電源關閉模式，若為“１１”，芯片則始終處于電源開啟模式。
ＡＤＳ７８４４有多種轉換時序，其基本轉換時序如圖２所示。從圖中可見，一個轉換周期需要２４個時鐘周期，其中８個用于輸入控制字，１６個用于讀取轉換結果。控制字的所有位在時鐘上升沿被鎖入芯片，轉換結果在時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個時鐘來完成整個轉換過程，這４個多余的時鐘移出的數據為“０”，使用時不應作為轉換結果處理。
２低功耗數據采集系統的硬件電路
要設計一個低功耗數據采集系統，只有Ａ／Ｄ轉換器是低功耗器件還不夠。ＰＩＣ１６Ｃ６４是美國ＭＩ-ＣＲＯＣＨＩＰ公司生產的高性能單片機，它有許多優點：寬電壓?２．７Ｖ～５Ｖ?，其工作電流只有１ｍＡ?３．３Ｖ＠３２ｋＨｚ時?，進入休眠狀態后只有幾微安且可以用中斷將其從休眠狀態喚醒等。低功耗數據采集系統的硬件電路如圖３所示，其中ＣＳ、ＤＣＬＫ、ＤＩＮ和ＤＯＵＴ必須與ＣＰＵ連接，而ＢＵＳＹ則可以不用，在轉換時稍加延時等待即可。控制ＡＤ７８４４進入低功耗狀態有兩種方式：一是直接控制ＳＨＤＮ端；二是將ＳＨＤＮ接在電源上，它們均可在控制字中設置。為了節省口線，可采用第二種方式。采樣控制可以使用外部中斷，如外部中斷ＩＮＴ０、串行口中斷和ＰＢ口電平變化引起的中斷等，也可以使用內部定時中斷。
３軟件程序
下面給出該系統的主程序部分流程圖和匯編程序。該設計假設用外部中斷ＩＮＴ０喚醒ＣＰＵ來進行數據采集，且Ａ／Ｄ轉換程序就是中斷服務子程序。
ＯＲＧ０００Ｈ
ＧＯＴＯＭＡＩＮ
ＯＲＧ００４Ｈ
ＧＯＴＯＩＮＴＰＲＯ
ＯＲＧ０１０Ｈ
ＭＡＩＮＭＯＶＬＷ１０Ｈ?關閉總中斷控制位，
但開放ＩＮＴ０
ＭＯＶＷＦＩＮＴＣＯＮ
ＢＳＦＳＴＡＴＵＳ?ＲＰ０?初始化Ａ口
ＭＯＶＬＷ０Ｆ８Ｈ
ＭＯＶＷＦＴＲＩＳＡ?Ａ口Ｄ０－Ｄ２為輸
出，Ｄ３為輸入
ＢＣＦＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１?使片選無效
．．．
ＢＳＦＩＮＴＣＯＮ，ＧＩＥ?開放總中斷控制位
ＬＯＯＰＳＬＥＥＰ?等待中斷
ＮＯＰ
．．．?數據采集完成后進行其他處理
ＧＯＴＯＬＯＯＰ
ＩＮＴ＿ＰＲＯＢＣＦＰＯＲＴＡ，０?時鐘置低電平
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，２?數據輸入置低
ＭＯＶＬＷ０８Ｈ?置送控制字所需時鐘數
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
ＭＯＶＬＷ８ＣＨ?控制字，假設轉換ＣＨ０，
單端輸入，?自動進入低功耗狀態
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，１?片選有效
．．．?送控制字
ＬＣＡＬＬＤＥＬＡＹ?調用延時子程序
ＭＯＶＬＷ１０Ｈ?置讀轉換結果所需
時鐘數
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
．．．?讀轉換結果
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１?結束轉換并返回
ＲＥＴＦＩＥ
４結束語
由于ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是低功耗器件，且都有低功耗狀態，因而用其設計的數據采集系統功耗是很低的。經實測，當電源電壓為３．３Ｖ、時鐘為３２．７６ｋＨｚ時，該電路的正常工作電流為２ｍＡ，而進入低功耗狀態后的系統消耗電流最大為４μＡ，因而完全適合于電池供電。另外，ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是寬電壓器件，并且ＰＩＣ１６Ｃ６４還有許多功能可以開發利用。如果在本系統基礎上做必要的功能擴展，便可用于其它工業控制系統的現場控制等領域。
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