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ADS7844串行模/数转换芯片的原理及其在嵌入式的应用

12位高精度AD的使用
ADS7844串行模/数转换芯片的原理及其在嵌入式的应用

摘要：ADS7844是一种12-Bit的串行数模转换器芯片。它具有与CPU方便联接的同步串行接口，接口灵活, 功耗低等特点。文中详细介绍了ADS7844的工作原理、引脚定义、工作时序及同步串行模式下与51单片机的接口电路及部分读写程序以及需要注意的地方。

关键词：模数转换器 SPI接口 ADS7844  单片机

概述
A/D采集芯片在以单片机为核心构成的智能仪器仪表、测控系统、工业控制等领域中有着广泛影响。但是现在有的A/D转换芯片存在着精度差和接口电路复杂等缺点。ＡＤＳ７８４４是Ｂｕｒｒ－Ｂｒｏｗｎ公司推出的一种高性能、宽电压、低功耗的可以程控为8通道单端输入或4通道差分端输入的12-Bit的串行数模转换器，内部集成有SPI口。 从而简化了接口电路设计，无需用复杂的外围元件，就可实现精度高、性能稳定的数据采集转换。在5V电源，转换速率为200kHz的情况下功耗仅仅3Mw。在节电模式下，功耗可以减小到1uW
1、 特性及引脚说明
1．1  ADS7844主要特性如下：
① 单电源，电压范围：2.7V-5V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３μＡ
② 其转换率高达２００ｋＨｚ
③ 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
④ 典型信噪比为72dB。
⑤ 积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）最大为±0.5LSB 
⑥ 保证无漏码
⑦ SPI接口
⑧ 采用20脚QSOP或SSOP封装形式。 
1．2  ADS7844引脚的功能和排列说明
   AD7844引脚功能说明如表1所示，引脚排列如图1所示

表1
引脚号 引脚名称 功能描述    备注
1、2、3、4、5、6、7、8 CH0-CH7
模拟输入端。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 对状态寄存器的ＳＧＬ／ＤＩＦ位进行配置以设定输入模式。1为单端模式，0为差分模式。
9 COM 信号地。 信号输入参考地
10 电源关闭控制端。低电平有效 置低时，A/D进入低功耗状态
11 VFEF 参考电压输入端
12、20 VCC 电源输入。
13、14 GND 电源地。
15 DOUT 串行数据输出端。在片选状态下，在时钟上升沿，数据从MSB-LSB被逐位移出。
16 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
17 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
18 /CS 片选端 低电平有效，为高电平时，DIN管脚的输入数据不能被移入，DOUT为高阻态
19 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 DCLK时钟速率决定转换速度
2、 工作原理
1.1  内部原理框图 如图2所示

2.2 工作原理描述
AD7844的基本*作需要一个外部参考电压和外部输入时种。参考电压最高为VCC,而参考电压决定了转换器的输入范围。能过配置内部控制寄存的来设置AD7844的工作模式。ＡＤＳ７８４４的控制字如表2所列。
表2 ADS7844的控制字含义

Bit7(MSB) Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0(LSB)
S A2 A1 A0 忽略 SGL/DIF PD1 PD0
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”否忽略DIN的输入数据。Ａ２～Ａ０是通道选择位，在单端输入时分别对应８个通道，而对应于4个差分输入通道。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是电源节电模式控制位，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与微处理器之间有多种*作方式，其基本转换时序如图3所示。从图3中可见，每个完整帧通讯需要8个时钟周期,一个完整的转换需要3帧串行通讯个即要在DCLKL输入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。对于16个时钟,和15个时钟周期的转换*作,可以参看有关资料,这里不再介绍。

3、 ADS7844在嵌入式系统中的应用
ADS7844可以广泛应用于智能仪器仪表系统、水、电、暖气表中。现在就我在环保监测适配器的应用中，给出硬件原理图的接口和软件程序。由于模拟串行通信稍逊于使用SPI口对ADS7844的访问，故在产品中使用了有SPI接口的单片机AT89S53。当然带有SPI接口的单片机很多。
      要使用SPI接口，必须要了接SPI的一些有关容。由于篇幅所限不做详细介绍
3．1 同步串行接口（SPI）有以下的性能
① 全双工，3线同步数据传输。
② 主从可设的*作方式。
③ 高达6M位的。
④ LSB、MSB传输位在先可设。
⑤ 4位可编程的位速。
⑥ 传输结束中断标志。
⑦ 写冲突标志保护。
⑧ 可唤醒的空闲模式。
3．2  ADS7844在适配器中的硬件接口电路
以适配器中的AT89S53为例，给出ADS7844在适配器中的硬件接口电路，如图4所示。

     本例应用中设AT89S53为主机，ADS7844为从机，AT89S53的P1.4是用来片选从机使能输出端。低有效。P1.7（SCK）是相位、极性4种组合的串行时钟输出。可以通过设置SPI控制寄存器的CPOL、CPHA来设置SCK的相位、极性。P1.5（MOSI）是主机数据移出，从机数据输入端。P1.6（MISO）是主机数据移入，从机数据移出端。P1.3是AD的忙信号，本设计硬件中做了联接，但是软件中没有启用。向SPI口的控制寄存器（SPCR）中写入57H，设置为禁止串行中断;开启SPI口;先输出MSB位;设单片机为主机AD为从机;有效沿为上升沿;相位为正;时钟为频率SCK=Fosc/128。设置完后将会启动SPI同步串行通信，把要采集通道的命令字写入SPI口的数据寄存器（SPDR）中，自动会由主机发送给从机A/D。然后读取SPI的状态寄存器（SPSR）Bit7,判断中断是否产生。如果中断标志置位，开始接收A/D转换的数据。
3.3  ADS7844在讯设备适配器中的程序设计如下

;变量区：21H-
;*********************************************************
SPDR            DATA            86H     ;SPI数据寄存器
SPCR            DATA            0D5H    ;SPI控制寄存器
WCON           DATA            96H     ;看门狗控制寄存器
SPSR            DATA            0AAH   ;SPI状态寄存器
SS              EQU             P1.4      ;从口选择端
WDOG          EQU             P1.0      ;程序运行灯
TXLED          EQU             P1.1     ;发送数据指示灯
BUSY           EQU             P1.3    ;
MOSI           EQU             P1.5    ;主机输出,从机输入
MISO           EQU             P1.6    ;主机输入,从机输出
SCK            EQU             P1.7    ; 主机输出的串行时钟 
;*********************************************************
;位矢量区：20-21H
;*********************************************************
JUST10MS        BIT             20H
;***********************************************
ORG        0000H
AJMP        MAIN
ORG        000BH
AJMP        TIMER0_INT
; ORG            0023H
; AJMP   
ORG            0040H
;*************************************************
;主程序
;*************************************************
MAIN:
MOV SP,#65H               ;堆栈指针50H
MOV     WCON,#0H           ;看门狗初始化
CPL     WDOG 
MOV     A,#00H
MOV     R4,#0FFH
  SETB    EA
CLRRAM:
    MOV     @R0,A
INC     R0
CPL     WDOG
DJNZ    R4,CLRRAM
LCALL   INITIMER         ;定时器初始化
LCALL   SER_INT          ;串口初始化
LCALL   SETCHA        ;准备发往上位机的数据包格式 
MOV     SPCR,#57H        ;SPI工作模式初始化 
;*****************************************************************
;SPCR: 写入57H
;禁止串行中断;开启SPI口;先输出MSB位;设单片机为主机AD为从机;
;有效沿为上升沿;相位为正;时钟为频率SCK=Fosc/128 
;******************************************************************             
STARTSMPL：
        CLR     TXLED         ;喂狗
        NOP
        MOV     R4,#87H        ;检测第一通道,改变R4的值,可以改变采集通道.
        LCALL   CHANNEL      ;读取ADS7844的转换数据子程序

……略

;********************************
;模块功能： 数据接收,读取的数据存入R6、R7
;说明：R0、R1为数据缓冲区,暂存ADS7844的转换数据
;程序名：CHANNEL
;********************************
CHANNEL:
        CLR     SS                 ;片选有效
        NOP
 REW:  MOV     SPDR,R4           ;命令字
        NOP
        nop
        nop
        nop 
        CLR     EA                ; 集结束开始关中断
REVD1:       
        MOV   A,SPSR
        JNB    ACC.7,REVD1        ;判断SPIF位是否为1 ,为1则转换结束,可读以取
        MOV   A,SPDR
        MOV   A,#00H
        MOV   SPDR,#00H
        NOP
        NOP
        NOP
        NOP
REVDH: MOV    A,SPSR
        JNB    ACC.7,REVDH      ;判断SPIF位是否为1 , 1则读取转换数据的高字节
        MOV    A,SPDR
        MOV    R0,A              ;读取高位字节
        MOV    R6,A              ;保存高字数据
        MOV    SPDR,#00H
        MOV    A,#00H
        NOP
        NOP
        NOP
        NOP
REVDL: MOV   A,SPSR
        JNB   ACC.7,REVDL    ;判断SPIF位是否为1, 为1则读取转换数据的低字节
        MOV   A,SPDR
        MOV   R1,A          ; ;读取低字数据
        MOV   R7,A          ; 保存低字数据
        NOP
        SETB  SS                 
        SETB EA             ;采集结束开中断
        RET      
END