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ADS7844在低功耗数据采集系统中的应用
摘要：详细介绍了１２位串行模数转换器ＡＤＳ７８４４的结构及工作原理，给出了一个实用的低功耗数据采集系统的设计方案，同时给出了相关的硬件电路和软件程序。sO100
关键词：串行模数转换器；数据采集系统；低功耗；ＡＤＳ７８４４
在野外以及一些没有市电或者不适宜使用市电的应用场合，自动化仪表通常要采用电池供电，这就要求仪表中的电子元器件的功耗要低，Ａ／Ｄ转换器作为自动化仪表的重要组成部份更不例外。笔者采用ＡＤＳ７８４４和ＰＩＣ１６Ｃ６４构成的数据采集系统便具有功耗极低、结构简单等优点，完全可以适应电池供电系统的要求。
１ＡＤＳ７８４４的结构及工作原理
ＡＤＳ７８４４是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ公司推出的一种高性能、宽电压、低功耗的１２－ｂｉｔ串行模数转换器。它有８个模拟输入端，可用软件编程为８通道单端输入Ａ／Ｄ转换器或４通道差分输入Ａ／Ｄ转换器，其转换率高达２００ｋＨｚ，而线性误差和差分误差最大仅为±１ＬＳＢ。ＡＤＳ７８４４在电源电压为２．７Ｖ～５Ｖ之间均能正常工作，最大工作电流为１ｍＡ，进入低功耗状态后的耗电仅３
μＡ。ＡＤＳ７８４４通过６线串行接口与ＣＰＵ进行通信，而且接口简单方便。
１．１ＡＤＳ７８４４的引脚功能
ＡＤＳ７８４４的引脚排列如图１所示。它有２０个引脚，各引脚的功能如下：
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
ＣＳ：片选端，低电平有效，该脚为高电平时，其它数字接口线呈三态
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
ＳＨＤＮ：电源关闭端，低电平有效。当ＳＨＤＮ为低电平时，ＡＤＳ７８４４进入低功耗状态
ＶＣＣ，ＧＮＤ：分别为电源端和数字地。
１．２ＡＤＳ７８４４的控制字及转换时序
ＡＤＳ７８４４的控制字如表１所列。
表1ADS7844的控制字含义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，而对于差分输入，０００～０１１分别对应ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ２～ＣＨ３、ＣＨ４～ＣＨ５、ＣＨ６～ＣＨ７，而１００～１１１则分别对应ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ１～ＣＨ０、ＣＨ３～ＣＨ２、ＣＨ５～ＣＨ４、ＣＨ７～ＣＨ６。Ｂｉｔ３没有定义。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是电源关闭模式控制位，若为“００”，则表示ＡＤＳ７８４４在不进行数据转换时自动进入电源关闭模式，若为“１１”，芯片则始终处于电源开启模式。
ＡＤＳ７８４４有多种转换时序，其基本转换时序如图２所示。从图中可见，一个转换周期需要２４个时钟周期，其中８个用于输入控制字，１６个用于读取转换结果。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个多余的时钟移出的数据为“０”，使用时不应作为转换结果处理。
２低功耗数据采集系统的硬件电路
要设计一个低功耗数据采集系统，只有Ａ／Ｄ转换器是低功耗器件还不够。ＰＩＣ１６Ｃ６４是美国ＭＩ-ＣＲＯＣＨＩＰ公司生产的高性能单片机，它有许多优点：宽电压２．７Ｖ～５Ｖ，其工作电流只有１ｍＡ３．３Ｖ＠３２ｋＨｚ时，进入休眠状态后只有几微安且可以用中断将其从休眠状态唤醒等。低功耗数据采集系统的硬件电路如图３所示，其中ＣＳ、ＤＣＬＫ、ＤＩＮ和ＤＯＵＴ必须与ＣＰＵ连接，而ＢＵＳＹ则可以不用，在转换时稍加延时等待即可。控制ＡＤ７８４４进入低功耗状态有两种方式：一是直接控制ＳＨＤＮ端；二是将ＳＨＤＮ接在电源上，它们均可在控制字中设置。为了节省口线，可采用第二种方式。采样控制可以使用外部中断，如外部中断ＩＮＴ０、串行口中断和ＰＢ口电平变化引起的中断等，也可以使用内部定时中断。
３软件程序
下面给出该系统的主程序部分流程图和汇编程序。该设计假设用外部中断ＩＮＴ０唤醒ＣＰＵ来进行数据采集，且Ａ／Ｄ转换程序就是中断服务子程序。
ＯＲＧ０００Ｈ
ＧＯＴＯＭＡＩＮ
ＯＲＧ００４Ｈ
ＧＯＴＯＩＮＴＰＲＯ
ＯＲＧ０１０Ｈ
ＭＡＩＮＭＯＶＬＷ１０Ｈ关闭总中断控制位，
但开放ＩＮＴ０
ＭＯＶＷＦＩＮＴＣＯＮ
ＢＳＦＳＴＡＴＵＳＲＰ０初始化Ａ口
ＭＯＶＬＷ０Ｆ８Ｈ
ＭＯＶＷＦＴＲＩＳＡＡ口Ｄ０－Ｄ２为输
出，Ｄ３为输入
ＢＣＦＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１使片选无效
．．．
ＢＳＦＩＮＴＣＯＮ，ＧＩＥ开放总中断控制位
ＬＯＯＰＳＬＥＥＰ等待中断
ＮＯＰ
．．．数据采集完成后进行其他处理
ＧＯＴＯＬＯＯＰ
ＩＮＴ＿ＰＲＯＢＣＦＰＯＲＴＡ，０时钟置低电平
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，２数据输入置低
ＭＯＶＬＷ０８Ｈ置送控制字所需时钟数
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
ＭＯＶＬＷ８ＣＨ控制字，假设转换ＣＨ０，
单端输入，自动进入低功耗状态
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，１片选有效
．．．送控制字
ＬＣＡＬＬＤＥＬＡＹ调用延时子程序
ＭＯＶＬＷ１０Ｈ置读转换结果所需
时钟数
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
．．．读转换结果
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１结束转换并返回
ＲＥＴＦＩＥ
４结束语
由于ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是低功耗器件，且都有低功耗状态，因而用其设计的数据采集系统功耗是很低的。经实测，当电源电压为３．３Ｖ、时钟为３２．７６ｋＨｚ时，该电路的正常工作电流为２ｍＡ，而进入低功耗状态后的系统消耗电流最大为４μＡ，因而完全适合于电池供电。另外，ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是宽电压器件，并且ＰＩＣ１６Ｃ６４还有许多功能可以开发利用。如果在本系统基础上做必要的功能扩展，便可用于其它工业控制系统的现场控制等领域。ImgLoad(document.getElementById("BodyLabel"));
关键词：串行模数转换器；数据采集系统；低功耗；ＡＤＳ７８４４
在野外以及一些没有市电或者不适宜使用市电的应用场合，自动化仪表通常要采用电池供电，这就要求仪表中的电子元器件的功耗要低，Ａ／Ｄ转换器作为自动化仪表的重要组成部份更不例外。笔者采用ＡＤＳ７８４４和ＰＩＣ１６Ｃ６４构成的数据采集系统便具有功耗极低、结构简单等优点，完全可以适应电池供电系统的要求。
１ＡＤＳ７８４４的结构及工作原理
ＡＤＳ７８４４是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ公司推出的一种高性能、宽电压、低功耗的１２－ｂｉｔ串行模数转换器。它有８个模拟输入端，可用软件编程为８通道单端输入Ａ／Ｄ转换器或４通道差分输入Ａ／Ｄ转换器，其转换率高达２００ｋＨｚ，而线性误差和差分误差最大仅为±１ＬＳＢ。ＡＤＳ７８４４在电源电压为２．７Ｖ～５Ｖ之间均能正常工作，最大工作电流为１ｍＡ，进入低功耗状态后的耗电仅３
μＡ。ＡＤＳ７８４４通过６线串行接口与ＣＰＵ进行通信，而且接口简单方便。
１．１ＡＤＳ７８４４的引脚功能
ＡＤＳ７８４４的引脚排列如图１所示。它有２０个引脚，各引脚的功能如下：
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
ＣＳ：片选端，低电平有效，该脚为高电平时，其它数字接口线呈三态
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
ＳＨＤＮ：电源关闭端，低电平有效。当ＳＨＤＮ为低电平时，ＡＤＳ７８４４进入低功耗状态
ＶＣＣ，ＧＮＤ：分别为电源端和数字地。
１．２ＡＤＳ７８４４的控制字及转换时序
ＡＤＳ７８４４的控制字如表１所列。
表1ADS7844的控制字含义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，而对于差分输入，０００～０１１分别对应ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ２～ＣＨ３、ＣＨ４～ＣＨ５、ＣＨ６～ＣＨ７，而１００～１１１则分别对应ＣＨ０～ＣＨ１、ＣＨ１～ＣＨ０、ＣＨ３～ＣＨ２、ＣＨ５～ＣＨ４、ＣＨ７～ＣＨ６。Ｂｉｔ３没有定义。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是电源关闭模式控制位，若为“００”，则表示ＡＤＳ７８４４在不进行数据转换时自动进入电源关闭模式，若为“１１”，芯片则始终处于电源开启模式。
ＡＤＳ７８４４有多种转换时序，其基本转换时序如图２所示。从图中可见，一个转换周期需要２４个时钟周期，其中８个用于输入控制字，１６个用于读取转换结果。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个多余的时钟移出的数据为“０”，使用时不应作为转换结果处理。
２低功耗数据采集系统的硬件电路
要设计一个低功耗数据采集系统，只有Ａ／Ｄ转换器是低功耗器件还不够。ＰＩＣ１６Ｃ６４是美国ＭＩ-ＣＲＯＣＨＩＰ公司生产的高性能单片机，它有许多优点：宽电压２．７Ｖ～５Ｖ，其工作电流只有１ｍＡ３．３Ｖ＠３２ｋＨｚ时，进入休眠状态后只有几微安且可以用中断将其从休眠状态唤醒等。低功耗数据采集系统的硬件电路如图３所示，其中ＣＳ、ＤＣＬＫ、ＤＩＮ和ＤＯＵＴ必须与ＣＰＵ连接，而ＢＵＳＹ则可以不用，在转换时稍加延时等待即可。控制ＡＤ７８４４进入低功耗状态有两种方式：一是直接控制ＳＨＤＮ端；二是将ＳＨＤＮ接在电源上，它们均可在控制字中设置。为了节省口线，可采用第二种方式。采样控制可以使用外部中断，如外部中断ＩＮＴ０、串行口中断和ＰＢ口电平变化引起的中断等，也可以使用内部定时中断。
３软件程序
下面给出该系统的主程序部分流程图和汇编程序。该设计假设用外部中断ＩＮＴ０唤醒ＣＰＵ来进行数据采集，且Ａ／Ｄ转换程序就是中断服务子程序。
ＯＲＧ０００Ｈ
ＧＯＴＯＭＡＩＮ
ＯＲＧ００４Ｈ
ＧＯＴＯＩＮＴＰＲＯ
ＯＲＧ０１０Ｈ
ＭＡＩＮＭＯＶＬＷ１０Ｈ关闭总中断控制位，
但开放ＩＮＴ０
ＭＯＶＷＦＩＮＴＣＯＮ
ＢＳＦＳＴＡＴＵＳＲＰ０初始化Ａ口
ＭＯＶＬＷ０Ｆ８Ｈ
ＭＯＶＷＦＴＲＩＳＡＡ口Ｄ０－Ｄ２为输
出，Ｄ３为输入
ＢＣＦＳＴＡＴＵＳ，ＲＰ０
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１使片选无效
．．．
ＢＳＦＩＮＴＣＯＮ，ＧＩＥ开放总中断控制位
ＬＯＯＰＳＬＥＥＰ等待中断
ＮＯＰ
．．．数据采集完成后进行其他处理
ＧＯＴＯＬＯＯＰ
ＩＮＴ＿ＰＲＯＢＣＦＰＯＲＴＡ，０时钟置低电平
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，２数据输入置低
ＭＯＶＬＷ０８Ｈ置送控制字所需时钟数
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
ＭＯＶＬＷ８ＣＨ控制字，假设转换ＣＨ０，
单端输入，自动进入低功耗状态
ＢＣＦＰＯＲＴＡ，１片选有效
．．．送控制字
ＬＣＡＬＬＤＥＬＡＹ调用延时子程序
ＭＯＶＬＷ１０Ｈ置读转换结果所需
时钟数
ＭＯＶＷＦＮＵＭ
．．．读转换结果
ＢＳＦＰＯＲＴＡ，１结束转换并返回
ＲＥＴＦＩＥ
４结束语
由于ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是低功耗器件，且都有低功耗状态，因而用其设计的数据采集系统功耗是很低的。经实测，当电源电压为３．３Ｖ、时钟为３２．７６ｋＨｚ时，该电路的正常工作电流为２ｍＡ，而进入低功耗状态后的系统消耗电流最大为４μＡ，因而完全适合于电池供电。另外，ＰＩＣ１６Ｃ６４和ＡＤＳ７８４４都是宽电压器件，并且ＰＩＣ１６Ｃ６４还有许多功能可以开发利用。如果在本系统基础上做必要的功能扩展，便可用于其它工业控制系统的现场控制等领域。ImgLoad(document.getElementById("BodyLabel"));
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