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ADS7844在低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：詳細(xì)介紹了１２位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ＡＤＳ７８４４的結(jié)構(gòu)及工作原理，給出了一個實用的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，同時給出了相關(guān)的硬件電路和軟件程序。關(guān)鍵詞：串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；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(yīng)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(zhuǎn)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(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)便具有功耗極低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，完全可以適應(yīng)電池供電系統(tǒng)的要求。
１ＡＤＳ７８４４的結(jié)構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器或４通道差分輸入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換率高達(dá)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(jìn)入低功耗狀態(tài)后的耗電僅３μＡ。ＡＤＳ７８４４通過６線串行接口與ＣＰＵ進(jìn)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(dāng)器件被設(shè)置為單端輸入時，這些引腳可分別與信號地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，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(shù)字接口線呈三態(tài)?
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(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，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，轉(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)后變低，只有在轉(zhuǎn)換結(jié)束且片選有效時，該腳才輸出一個高脈沖?
ＳＨＤＮ：電源關(guān)閉端，低電平有效。當(dāng)ＳＨＤＮ為低電平時，ＡＤＳ７８４４進(jìn)入低功耗狀態(tài)?
ＶＣＣ，ＧＮＤ：分別為電源端和數(shù)字地。
１．２ＡＤＳ７８４４的控制字及轉(zhuǎn)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(yīng)８個通道，而對于差分輸入，０００～０１１分別對應(yīng)ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ２～ＣＨ３、ＣＨ４～ＣＨ５、ＣＨ６～ＣＨ７，而１００～１１１則分別對應(yīng)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(guān)閉模式控制位，若為“００”，則表示ＡＤＳ７８４４在不進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時自動進(jìn)入電源關(guān)閉模式，若為“１１”，芯片則始終處于電源開啟模式。
ＡＤＳ７８４４有多種轉(zhuǎn)換時序，其基本轉(zhuǎn)換時序如圖２所示。從圖中可見，一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)果。控制字的所有位在時鐘上升沿被鎖入芯片，轉(zhuǎn)換結(jié)果在時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個時鐘來完成整個轉(zhuǎn)換過程，這４個多余的時鐘移出的數(shù)據(jù)為“０”，使用時不應(yīng)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果處理。
２低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路
要設(shè)計一個低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，只有Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器是低功耗器件還不夠。ＰＩＣ１６Ｃ６４是美國ＭＩ-ＣＲＯＣＨＩＰ公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，它有許多優(yōu)點：寬電壓?２．７Ｖ～５Ｖ?，其工作電流只有１ｍＡ?３．３Ｖ＠３２ｋＨｚ時?，進(jìn)入休眠狀態(tài)后只有幾微安且可以用中斷將其從休眠狀態(tài)喚醒等。低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhuǎn)換時稍加延時等待即可。控制ＡＤ７８４４進(jìn)入低功耗狀態(tài)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(shè)置。為了節(jié)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(nèi)部定時中斷。
３軟件程序
下面給出該系統(tǒng)的主程序部分流程圖和匯編程序。該設(shè)計假設(shè)用外部中斷ＩＮＴ０喚醒ＣＰＵ來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，且Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換程序就是中斷服務(wù)子程序。
ＯＲＧ０００Ｈ
ＧＯＴＯＭＡＩＮ
ＯＲＧ００４Ｈ
ＧＯＴＯＩＮＴＰＲＯ
ＯＲＧ０１０Ｈ
ＭＡＩＮＭＯＶＬＷ１０Ｈ?關(guān)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(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行其他處理
ＧＯＴＯＬＯＯＰ
ＩＮＴ＿ＰＲＯＢＣＦＰＯＲＴＡ，０?時鐘置低電平
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，２?數(shù)據(jù)輸入置低
ＭＯＶＬＷ０８Ｈ?置送控制字所需時鐘數(shù)
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
ＭＯＶＬＷ８ＣＨ?控制字，假設(shè)轉(zhuǎn)換ＣＨ０，
單端輸入，?自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，１?片選有效
．．．?送控制字
ＬＣＡＬＬＤＥＬＡＹ?調(diào)用延時子程序
ＭＯＶＬＷ１０Ｈ?置讀轉(zhuǎn)換結(jié)果所需
時鐘數(shù)
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
．．．?讀轉(zhuǎn)換結(jié)果
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１?結(jié)束轉(zhuǎn)換并返回
ＲＥＴＦＩＥ
４結(jié)束語
由于ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是低功耗器件，且都有低功耗狀態(tài)，因而用其設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功耗是很低的。經(jīng)實測，當(dāng)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(jìn)入低功耗狀態(tài)后的系統(tǒng)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(fā)利用。如果在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上做必要的功能擴(kuò)展，便可用于其它工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制等領(lǐng)域。
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