多通道A／D转换控制模块的设计与实现

    控制信号中的模拟量传输正逐步改为数字量传输，各种非数字化设备也必将逐步为数字化智能产品所取代。但是，在实际生产现场依然有大量的数据是模拟量，例如压力、液位、温度等，必须通过A／D转换才能将这些数据送到控制系统进行分析处理。为满足实际需要，本文提出利用MC143150 Neuron芯片和12位串行模数转换器ADS7844开发与设计多通道A／D转换控制模块，实现了多个模拟量信号的并行采集、分析与处理功能，具有精度高和性能可靠等特点。

    1 硬件设计

    多通道A／D转换控制模块的硬件总体结构如图1所示，主要包括模拟信号电路、8通道12位串行A／D转换器ADS7844和MC143150 Neuron芯片。设计中利用8通道12位串行A／D转换器ADS7844实现模拟量的数字化转换，同时利用MC143150 Neuron芯片对ADS7844的8通道模拟输入量的数字化转换结果进行循环采集，实现多个模拟量数据的并行采集、分析与处理，较大程度地满足了应用现场的实际要求。

    1．1 ADS7844

    ADS7844是Burr-Brown公司生产的宽电压、低功耗、高性能的12位串行模数转换器。它有8个模拟输入端，可编程设置为8通道单端输入或4通道差分输入的A／D转换器，还可编程使芯片处于低功耗电源工作模式。ADS7844的转换率可达200 kHz，而线性误差和差分误差最大仅为±1LSB。ADS7844电源电压为2．7～5 V之间均能正常工作，最大工作电流为1 mA，进入低功耗状态后的耗电仅3μA。
    (1)ADS7844的引脚功能。
    CH0～CH7：模拟输入端，当器件被设置为单端输入时，这些引脚可分别与信号地COM构成8通道单端输入A／D转换器；当器件被设置为差分输入时，利用CH0～CH1、CH2～CH3、CH4～CH5和CH6～CH7可构成4通道差分输入A／D转换器；
    COM：信号地；
    VREF：参考电压输入端，最大值为电源电压；
    片选端，低电平有效，该脚为高电平时，其他数字接口线呈三态；
    DCLK：外部时钟输入端，在时钟作用下，CPU将控制字写入ADS7844，并将转换结果从中读出；
    DIN：串行数据输入端，在片选有效时，控制字在DCLK上升沿被逐位锁入ADS7844；
    DOUT：串行数据输出端，在片选有效时，转换结果在DCLK的下降沿开始被逐位从ADS7844移出；
    BUSY：“忙”信号输出端，在接收到控制字的第一位数据后变低，只有在转换结束且片选有效时，该脚才输出一个高脉冲；
    ：电源关闭端，低电平有效。当SHDN为低电平时，ADS7844为低功耗状态；
    VCC，GND：分别为电源端和数字地。
    (2)ADS7844的控制字。
    通过ADS7844的控制字可以设置其信号联结方式、选择数据转换通道和电源工作模式。ADS7844控制字如表1所示。

    其中，S是起始位，控制字的起始位总为“1”；A2～A0是通道选择位，在单端输入时分别对应8个通道，对应关系见表2，而对于差分输入，CH0～CH1、CH2～CH3、CH4～CH5、CH6～CH7分别对应差分信号的输入端，其对应关系如表3所示。

        

    SGL／DIF是模式控制位，该位为“1”时是单端输入模式，为“0”时是差分输入模式；PD1和PD0是电源模式控制位，其含义如表4所示。

    (3)ADS7844的转换时序图。
    ADS7844有3种转换时序，分别是15-时钟转换时序、16-时钟转换时序和24-时钟转换时序，通常采用转换周期为24个时钟周期的工作时序，其中8个用于输入控制字，16个用于读取转换结果，如图2所示。控制字的所有位在时钟上升沿被锁入芯片，转换结果在时钟的下降沿被逐位移出。所有移入和移出的数据都是高位在前、低位在后。需要说明的是，ADS7844是12位A／D转换器，其转换结果只有12位，故在移出12位结果后，还需送入4个时钟来完成整个转换过程，这4个多余时钟移出的数据为“0”，使用时不应作为转换结果处理。

1．2 MC143150 Neuron芯片
    MC143150 Neuron芯片是Motorola公司成熟的VLSI设备，集成了硬件和固件，提供了完整的系统资源，3个管线处理器，其中一个用于执行用户编写的应用程序、另外两个完成网络中Neuron芯片间的信息交互任务。Neuron芯片通过11只引脚与应用指定的外部硬件相连，可以配置直接I／O对象、并行双向I／O对象、串行I／O对象等多种工作方式，从而可以借助最少的外接电路实现灵活的输入输出功能。

    为了便于现场应用，将MC143150 Neuron芯片、收发器Transceiver、定时器以及存储器集成在一起，如图3所示。其中Clock给MC143150 Neuron芯片提供工作基准时钟信号，RAM／ROM等存储器用于存放MC143150 Neuron芯片的固件与用户应用程序，Transceiver用于模块间网络互联，I／O调处与A／D转换器ADS7844的对应数据端口、外围电源、MC143150 Neuron芯片的Reset和Service控制按键相连接，维护MC143150 Neuron芯片的正常工作以及实现端口数据的采集、分析和处理等功能。

2 软件设计
    Neuron C是专门为Neuron芯片设计的编程语言，它以ANSI C为基础，包括对ANSI C的扩展，可直接支持Neuron芯片的软件固化。Neuron C定义了多种I／O对象类型，如直接、计数器／计时器、串行和并行。下面介绍MC143150 Neuron芯片对ADS7844的8个通道工作在差分输入方式下进行循环采样的程序设计过程。
    选用MC143150 Neuron芯片的Neurowire输入／输出作为I／O对象，使MC143150 Neuron芯片循环采集ADS7844输出端口DOUT信号，实现与ADS7844同步全双工串行通信。
2．1 Neurowire输入／输出对象语法结构定义   
  

    IO_8：Neurowire输入／输出对象使用管脚IO_8～IO_10，IO_8指定时钟管脚，IO_9是串行数据输出管脚，IO_10是串行数据输入管脚。
    Master：指定Neuron芯片在管脚IO_8上提供时钟，设置为输出管脚。
    Slave：指定Neuron芯片检测在管脚IO_8上的时钟，设置为输入管脚。
    Select(pin-nbr)：为Neurowire master指定片选管脚，为IO_0～IO_7管脚之一。
    Timeout(pin-nbr)：为Neurowire Slave指定一个可选择的超时信号管脚，其范围是IO_0～IO_7。当使用超时信号管脚时，当neuron芯片等待时钟的上升沿或下降沿时，将检查该管脚的逻辑电平。如果检测到逻辑电平为“1”，则传输停止。
    Kbaud(const—expr)：为Neurowire master指定比特率，const—expr可以为1 kb·s-1、10 kb·s-1或20 kb·s-1。对于10 MHz的Neuron芯片输入时钟，缺省值为20 kb·s-1。
    Clockedge(+|-)：指数据触发时钟信号极性，clockedge(+)为上升沿，clockedge(-)为下降沿。
    io-object-name：由用户为该I／O对象指定的名字。
2．2 采样的程序清单



3 结束语
    目前，该多通道A／D转换控制模块通过长时间运行测试，其性能可靠，故障率低，节约能耗，实现了多个模拟量转换、采集与处理功能，给现场自动化控制系统的集成带来较大的灵活性。