面向信號處理過(guò)程的ADC特性使傳感器連接變得簡(jiǎn)單

單片機（MCU）和傳感器測控系統中，經(jīng)常遇到需要模擬量傳感器輸入的情況。 這種輸入的模擬量，需要由模擬數字轉換器外設，簡(jiǎn)稱(chēng)ADC，來(lái)轉換為N位數字量后再由CPU進(jìn)行處理。近年來(lái)，隨著(zhù)智能傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的發(fā)展， MCU和傳感器連接的系統應用也越來(lái)越廣泛。比如在目前全球研究最多的新興市場(chǎng)之一——物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)系統數據的重要入口， 正在成為電子基礎設施向物聯(lián)網(wǎng)轉變的無(wú)處不在的元素。據中國信息通信研究院2020年12月發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》，預計到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數規模將從2019年的120億增長(cháng)到246億，年復合增長(cháng)率高達13%。 我國物聯(lián)網(wǎng)連接數全球占比高達30%，2019年我國的物聯(lián)網(wǎng)連接數36.3億，到2025年預計我們物聯(lián)網(wǎng)連接數將達到80.1億，年復合增長(cháng)率14.1（來(lái)源：中國信息通信研究院）。

對于MCU中集成的用于連接模擬傳感器的ADC，設計者在以往的努力多在于提高其采樣速度和量化的性能指標，比如提高ADC的分辨率（精度），減少誤差（量化誤差、偏移誤差和滿(mǎn)刻度誤差等），提高轉換率來(lái)采集更高頻率的輸入等等，而現在的集成ADC的新特性，除了提高以上性能參數，則更是考慮了ADC在系統中的應用場(chǎng)景和信號處理過(guò)程。

對于模擬信號的輸入，單片機系統典型的處理過(guò)程如下所示：

針對這種典型的模擬信號處理過(guò)程，MCU設計者對ADC外設創(chuàng )新地賦予了新的特性，以使其連接傳感器更為高效。

1.獨立于內核的事件機制——聯(lián)動(dòng)其他外設，自動(dòng)觸發(fā)ADC啟動(dòng)

在模擬信號采樣階段， 簡(jiǎn)便的方式就是沖激串采樣——通過(guò)一個(gè)周期沖激串去乘待采樣的連續時(shí)間信號。 在MCU中，需要通過(guò)定時(shí)器來(lái)設定采樣周期T。在傳統的處理方式中，CPU要么響應定時(shí)器產(chǎn)生的周期性中斷，要么輪詢(xún)定時(shí)器計數器的溢出標志，來(lái)啟動(dòng)ADC。

新的ADC觸發(fā)方式則是采用了事件機制，它提供了一個(gè)完全由硬件自動(dòng)完成的觸發(fā)到ADC產(chǎn)生響應的通道。 在沒(méi)有任何CPU干預的情況下精確控制ADC的采樣周期。這種機制節省了中斷資源， 無(wú)需軟件的參與，提高了ADC的響應速度。下圖為AVR^?單片機事件系統的示意圖。

圖1 AVR^?單片機中的事件系統圖示

這種硬件上的聯(lián)動(dòng)響應，更為迅速直接。因為不需要CPU干預，也減少了不必要的中斷或喚醒，即使在CPU處于某種休眠狀態(tài)下，該觸發(fā)機制仍可以在低功耗的情況下運行。當然除了用于觸發(fā)ADC之外，這種事件機制還可以用于其他外設的聯(lián)動(dòng)。

2.帶有計算功能的ADC——對轉換結果自動(dòng)進(jìn)行計算處理

ADC的轉換結果，被用來(lái)做某種類(lèi)型的計算或分析。比如驗證結果是否在一定的范圍內或者用來(lái)濾除信號中的噪聲。盡管用來(lái)濾波的軟件算法都比較成熟，比如中值濾波、算數平均濾波和滑動(dòng)平均濾波等，但是無(wú)論是什么樣的軟件算法，它們都是需要較大的RAM空間和CPU運算資源。首先在系統的RAM區保留一段時(shí)間內的轉換值，然后對這些轉換值進(jìn)行分析、濾波，并進(jìn)行處理。而在MCU系統中，RAM空間都是很有限的，而且軟件濾波算法的運行，需要消耗CPU的能力和時(shí)間，導致整個(gè)轉換數值的濾波系統運行效率不高。

創(chuàng )新的ADC設計，使得ADC自身具有轉換后的計算功能，可以對ADC轉換的數據進(jìn)行復雜的運算，而無(wú)需CPU干預。使用這種具有運算能力的智能ADC， 在轉換完成后， 結果可以通過(guò)預定的計算功能來(lái)傳遞，將不需要編寫(xiě)代碼來(lái)查看ADC結果是否落在某個(gè)窗口之內或之外，也可以直接獲取ADC平均樣本值或者濾波器樣本數據值等。這種計算由ADC外設本身執行，加速了通常由軟件完成的算術(shù)任務(wù)，不再需要占用CPU資源和額外的RAM緩沖空間。例如，如下圖PIC? Q10系列MCU上ADC的計算功能簡(jiǎn)化框圖所示， 可以通過(guò)配置ADC的ADMD位來(lái)控制ADC計算模塊以選擇五種不同的操作模式之一：基本模式、累加模式、平均模式、突發(fā)平均模式和低通濾波器模式等。

圖2 PIC^?Q10單片機中的ADC計算模塊框圖

3.自動(dòng)上下文保存——使ADC通道切換應用自如

在傳感器系統應用中，經(jīng)常會(huì )遇到多個(gè)模擬輸入通道共用一個(gè)內部ADC硬件的情況。 比如在一個(gè)環(huán)境檢測系統中， 溫度、濕度、氣壓和光線(xiàn)強度等傳感器的模擬輸入將會(huì )使用同一個(gè)ADC（同一個(gè)采樣保持電路）的不同通道。ADC通過(guò)切換各個(gè)通道，分時(shí)進(jìn)行A/D轉換。對于復用ADC的模擬輸入，每個(gè)通道的控制方式，都可能是不同的，比如狀態(tài)和數據寄存器配置和轉換后的計算方式等等。例如，通道一將ADC配置為突發(fā)平均模式，通道二將ADC配置為累加模式……不同通道的獨特控制方式，使得ADC在切換通道時(shí)需要附加軟件開(kāi)銷(xiāo)，比如首先停止ADC，按照ADC采集通道的預定順序找到相應的狀態(tài)和寄存器，重新配置對應的控制方式，再啟動(dòng)ADC…，運行過(guò)程中的頻繁切換無(wú)疑降低了ADC的運行效率。

解決這一問(wèn)題的最新ADC特性，是把每個(gè)通道的特定轉換控制方式，按照預定采集順序，保存為上下文。該上下文只能通過(guò)A/D上下文選擇寄存器，或者直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)（DMA）。這樣ADC運行時(shí)，ADC硬件模塊會(huì )自動(dòng)從內存中傳輸當前活動(dòng)通道的上下文，進(jìn)入相關(guān)的ADC寄存器并執行所需的轉換。這樣就顯著(zhù)提高了ADC切換通道采集數據的效率，也不占用CPU資源。有趣的是，Microchip將帶有運算特性的ADC稱(chēng)為ADCC （ADC with Computation），而將又帶有上下文保存特性的ADCC稱(chēng)為ADCCC （ADC with Computation and Context）。

單片機和傳感器連接的應用越來(lái)越多，幸運的是，MCU設計者一直在擴展其MCU外設的功能。 類(lèi)似ADC上這些新功能的創(chuàng )新，已不僅僅在其自身轉換方面，而是實(shí)現了與其他外設聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)采樣，轉換后的計算，以及多個(gè)復用通道的自動(dòng)切換等，集成了針對模擬信號處理鏈路上的多個(gè)環(huán)節。這些環(huán)節可以自動(dòng)運行，不占用系統總線(xiàn)，這對降低CPU負載，降低系統功耗，增強系統響應效率，增強系統健壯性等都有非常大的意義。單片機設計者們以其創(chuàng )新性的智慧，以及對嵌入式系統應用細致入微的洞察，將會(huì )使得MCU和傳感器的連接應用設計，越來(lái)越靈活，越來(lái)越高效！