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品所取代。但是，在實際生產現場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A／D轉換才能將這些數據送到控制系統進行分析處理。為滿足實際需要，本文提出利用MC143150 Neuron芯片和12位串行模數轉換器ADS7844開發與設計多通道A／D轉換控制模塊，實現了多個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。
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實現模擬量的數字化轉換，同時利用MC143150 Neuron芯片對ADS7844的8通道模擬輸入量的數字化轉換結果進行循環采集，實現多個模擬量數據的并行采集、分析與處理，較大程度地滿足了應用現場的實際要求。
1．1 ADS7844
ADS7844是Burr-Brown公司生產的寬電壓、低功耗、高性能的12位串行模數轉換器。它有8個模擬輸入端，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，進入低功耗狀態后的耗電僅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，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；
片選端，低電平有效，該腳為高電平時，其他數字接口線呈三態；
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；
：電源關閉端，低電平有效。當SHDN為低電平時，ADS7844為低功耗狀態；
VCC，GND：分別為電源端和數字地。
(2)ADS7844的控制字。
通過ADS7844的控制字可以設置其信號聯結方式、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，在單端輸入時分別對應8個通道，對應關系見表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，其對應關系如表3所示。
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是電源模式控制位，其含義如表4所示。
(3)ADS7844的轉換時序圖。
ADS7844有3種轉換時序，分別是15-時鐘轉換時序、16-時鐘轉換時序和24-時鐘轉換時序，通常采用轉換周期為24個時鐘周期的工作時序，其中8個用于輸入控制字，16個用于讀取轉換結果，如圖2所示。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個多余時鐘移出的數據為“0”，使用時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個管線處理器，其中一個用于執行用戶編寫的應用程序、另外兩個完成網絡中Neuron芯片間的信息交互任務。Neuron芯片通過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現靈活的輸入輸出功能。
為了便于現場應用，將MC143150 Neuron芯片、收發器Transceiver、定時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鐘信號，RAM／ROM等存儲器用于存放MC143150 Neuron芯片的固件與用戶應用程序，Transceiver用于模塊間網絡互聯，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是專門為Neuron芯片設計的編程語言，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對象類型，如直接、計數器／計時器、串行和并行。下面介紹MC143150 Neuron芯片對ADS7844的8個通道工作在差分輸入方式下進行循環采樣的程序設計過程。
選用MC143150 Neuron芯片的Neurowire輸入／輸出作為I／O對象，使MC143150 Neuron芯片循環采集ADS7844輸出端口DOUT信號，實現與ADS7844同步全雙工串行通信。
2．1 Neurowire輸入／輸出對象語法結構定義
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上提供時鐘，設置為輸出管腳。
Slave：指定Neuron芯片檢測在管腳IO_8上的時鐘，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指定一個可選擇的超時信號管腳，其范圍是IO_0～IO_7。當使用超時信號管腳時，當neuron芯片等待時鐘的上升沿或下降沿時，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芯片輸入時鐘，缺省值為20 kb·s-1。
Clockedge(+|-)：指數據觸發時鐘信號極性，clockedge(+)為上升沿，clockedge(-)為下降沿。
io-object-name：由用戶為該I／O對象指定的名字。
2．2 采樣的程序清單
3 結束語
目前，該多通道A／D轉換控制模塊通過長時間運行測試，其性能可靠，故障率低，節約能耗，實現了多個模擬量轉換、采集與處理功能，給現場自動化控制系統的集成帶來較大的靈活性。