應用模擬微控制器簡(jiǎn)化數據采集系統設計

　　Simplify Data Capture System Design with Analog Microcontroller

　　ADI公司

　　在微控制器中加入高精度的模擬外設，這樣的模擬微控制器更能適應市場(chǎng)的需求。外設包括高達24位的模擬數字轉換器，以及12位的數字模擬轉換器等接口。例如，ADI公司的ADuC800系列產(chǎn)品都集成了∑Δ型模數轉換器，根據配置的存儲器和外設的配置不同又分成14種型號。如圖1。

　　圖1 ADuC800系列產(chǎn)品的結構(略)

　　這些產(chǎn)品的適用領(lǐng)域包括智能傳感器、過(guò)程控制與PLC等工業(yè)領(lǐng)域，以及氣體分析與監測、熱成像、金屬探測儀器等在內的精密儀器領(lǐng)域。它們可以直接連接傳感器進(jìn)行高精度測量，同時(shí)需要更少的模擬元件。

　　以ARM7代替8051內核的ADuC702x系列產(chǎn)品分成8款，它們之間代碼互相兼容。它們都是基于12位的模數轉換器，最高采樣速率為1MHz，提供卓越的直流和交流性能指標以及出色的低噪聲性能。內置了20ppm精度的基準電壓，并提供了一個(gè)溫度傳感器，使控制器可以根據自身溫度進(jìn)行補償。該ADC采用逐次逼近技術(shù)，內部的電壓源和DAC決定了其精度。如圖2。但是由于輸入引腳沒(méi)有保持電路，需要有較大的驅動(dòng)電流為電容充電，為了避免誤差，可能需要外部緩沖器。轉換器的啟動(dòng)方法有多種，推薦使用外部啟動(dòng)轉換引腳觸發(fā)，此時(shí)延遲最小，其次是定時(shí)器觸發(fā)，精度最低的軟件觸發(fā)或可編程邏輯陣列觸發(fā)，可能會(huì )受到中斷響應的影響。

　　圖2 逐次逼近型ADC原理(略)

　　內置的多通道復用器可以提供多通道以及更多的靈活性。首先可以配置成單端輸入模式，此時(shí)以地為參考端。輸入范圍為地到Vref，需要使用抗混疊濾波器。偽差分輸入模式下，一個(gè)引腳為其它引腳提供參考，偽差分輸入可用于對噪聲環(huán)境要求不是太高的情況，它可抑制共模噪聲電壓。

　　對于要求最精確測量的應用，可使用完全差分模式，特別是信號是以共模電壓為中心的小信號，這種模式最有效。如圖3。另外，器件的偏置和增益系數可調，以使外部的誤差趨于零。

　　圖3 完全差分輸入模式(略)

　　12位的電壓輸出DAC轉換器采用電阻串結構，內置滿(mǎn)擺幅輸出緩沖器，以達到功能強大和精確的目的。如圖4。電阻串由兩個(gè)獨立的分壓電阻串組成，可以設置分壓輸出與后續輸出電壓，這兩個(gè)電阻串分別輸出最高有效位MSB和最低有效位LSB，所 以稱(chēng)為 分段DAC。如果負載在5k?以上，或者信號無(wú)需進(jìn)一步放大，無(wú)需濾波或者輸出保持單極性的情況下可以不需要附加的輸出緩沖器。最差情況下，有效位數可達到11.4位，在負載5k?以上，同時(shí)選用低于電源電壓100mV以上的基準電壓時(shí)，可以達到11.7位，進(jìn)一步優(yōu)化可以接近11.9位。

　　圖4 電壓輸出的12位DAC結構(略)

　　使用ADC或DAC時(shí)可以采用下列的技巧，首先ADC的輸入信號應該在1k?以下，否則需要緩沖器。其次模擬輸入端的電壓可以有一定的余量，甚至可以低于地0.3V，但需小心使用。最后采用外部高精度（高于內置帶隙基準電壓源）基準電源可以獲得更優(yōu)的性能。如圖5。

　　圖5 ADC及DAC基準電壓配置方法(略)

　　ARM7采用32位的精簡(jiǎn)指令集架構，指令和數據復用32位總線(xiàn)，集成JTAG測試端口，主頻高達44MHz，單周期32位指令，性能高達45MIPS。工作在32位ARM模式下非常適合微控制器的SRAM操作，16位THUMB模式下更適合片上FLASH操作，此時(shí)具有更大的代碼密度，但是限制對寄存器的訪(fǎng)問(wèn)?？刂破髯陨硎侨壛魉€(xiàn)結構，如果當前指令沒(méi)有完成，可以設置后面的指令執行，即馮諾伊曼修正的哈弗架構模式，指令和數據籍由同一總線(xiàn)送達，寄存器地址采用線(xiàn)性預設，有助于編程的方便性。應當注意，與SRAM相比，FLASH具有更快的擦寫(xiě)時(shí)間，以及更多的擦寫(xiě)次數和數據保存時(shí)間。

　　圖6 PLA組成的狀態(tài)機(略)

　　ADuC7000系列產(chǎn)品時(shí)鐘可以采用內置PLL產(chǎn)生和32.768kHz實(shí)時(shí)時(shí)鐘獲得，也可通過(guò)外置晶振產(chǎn)生，此時(shí)時(shí)鐘范圍是50kHz～44MHz。存儲器的數據寬度決定了最終的MIPS性能，采用預設線(xiàn)性地址的寄存器后，尋址變得很容易。部分產(chǎn)品提供與外設存儲器的接口。

　　數字外設

　　PLA由2~8個(gè)邏輯單元陣列組成，其中每個(gè)單元的輸入可以是任意一個(gè)GPIO引腳、時(shí)鐘、計數器溢出或任意的寄存器位。輸出可以作為另外一個(gè)PLA的輸入或寄存器位。邏輯單元的配置可以通過(guò)軟件進(jìn)行。

　　圖7 PLA的使用實(shí)例(略)

　　ADuC7000產(chǎn)品提供了常見(jiàn)的數字端口，包括GPIO、I2C兼容接口以及改進(jìn)的UART接口，它具有小數分頻器以及網(wǎng)絡(luò )尋址模式，此外還提供了SPI接口。

　　微 控制器具有四個(gè)以上的定時(shí)器，一個(gè)是倒計數的16位實(shí)時(shí)計數器，一個(gè)可以捕獲中斷的32位計數器，既可以遞增計數也可以遞減計數，一個(gè)32位的喚醒計時(shí)器，以及一個(gè)16位的看門(mén)狗計時(shí)器。

　　控制器中還集成了其它一些外設，比如電源監視器，具有兩個(gè)可編程電平，在電源電壓降落到這兩個(gè)電平以下時(shí)觸發(fā)中斷。另外有上電復位以及集成了3相PWM功能。

　　ADI為AduC系列控制器提供的開(kāi)發(fā)工具包括Quickstart及Quickstart擴展型兩種，前者可以通過(guò)串口利 用匯編語(yǔ)言進(jìn)行調試，而擴展型則可以通過(guò)C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言進(jìn)行非侵入式調試。另外還提供一種擴展性差的Mini型開(kāi)發(fā)套件。所有的軟件都是采用Keil uVision進(jìn)行編寫(xiě)與項目管理。其中包括了IAR測試版。

　　圖8顯示了AduC7128/9用于驅動(dòng)直流電機的設計。

　　控制汽車(chē)電池的充電是一件非常重要而且困難的工作，利用模擬控制器的外設可以簡(jiǎn)化這些工作，隨著(zhù)混合動(dòng)力車(chē)的發(fā)展，對汽車(chē)電力的監控和控制變得非常必要，這種應用的環(huán)境惡劣，需要新的高充電率轉換器。AduC703x非常適合這種應用的需求，它具有3個(gè)ADC，可以進(jìn)行電壓、電流和溫度檢測，采用20MHz的ARM7 TDMI內核，而且可以直接工作在12V的電源下，還提供了汽車(chē)電氣中常見(jiàn)的LIN2.0接口。

　　圖8 采用AduC控制器簡(jiǎn)化直流電機驅動(dòng)電路設計(略)

　　ADE71xx/75xx則更適合進(jìn)行電能的監測。它提供了2個(gè)ADC，4MHz的8025內核，另外有一個(gè)溫度補償的ADC，內置了50ppm/℃的參考電壓。并且提供108段的LCD驅動(dòng)。

　　問(wèn)答選編

　　問(wèn)：在強干擾的情況下， ADI的單片機還能工作正常嗎？

　　答：這與系統設計有很大關(guān)系。ADI的單片機在電機控制等的惡劣環(huán)境都有成功的應用。但是，還是需要在這種環(huán) 境下加入標準的抗干擾措施。

　　問(wèn)：ADuC845內部溫度傳感器可以精確到多少度？如何用它做AD轉換溫度補償？

　　答：ADuC845的精度是+/-2度。你需要測量ADC轉換誤差隨溫度的關(guān)系，然后通過(guò)當時(shí)溫度傳感器測得的溫度來(lái) 校正。

　　問(wèn)：ADuC800系列中16位或24位sigma-delta ADC與12 位逐次逼近型ADC最大的區別是什么？各自的應用？

　　答：sigma-delta ADC的精度、線(xiàn)性度更高，但是它的速度很低 。它的典型應用如溫度、壓力等低頻信號的測量。但 是SAR ADC的速度會(huì )較高。

　　問(wèn)：傳感器小信號時(shí)存在噪音，這一問(wèn)題采用ADuC7000系列時(shí)如何解決?

　　答：一方面，可以使用差分的方式進(jìn)行處理，如差分放大。差分接到ADuC產(chǎn)品的差分ADC通道上；另一方面，你可以使用模擬濾波和數字域的濾波進(jìn)行對噪聲的濾除。

　　問(wèn)：如果用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，代碼量是不是有限制？

　　答：不同型號的產(chǎn)品其Flash大小會(huì )不同，大部分ADuC系列產(chǎn)品都是62KB Flash。但是如果您使用免費版本的開(kāi)發(fā)軟件，它會(huì )有可編譯的代碼量的限制，要突破此限制， 需要購買(mǎi)相關(guān)的完整版開(kāi)發(fā)軟件。

　　問(wèn)：ADuC7000系列在KEIL軟件下能仿真嗎？有沒(méi)有帶USB 接口的芯片？

　　答：KEIL全面支持ADuC7000系列?；谙到y設計成本的考慮，ADuC7000現在還沒(méi)有帶USB接口的。ADuC內部帶有性能非常優(yōu)越的A DC和DAC，這是相對于其他芯片的優(yōu)勢。

　　問(wèn)：為什么ADuC845AD轉換在很長(cháng)時(shí)間后特別是在斷電開(kāi)機后，數據才能達到穩定？

　　答：ADuC845中的ADC是Sigma-Delta型的，所以一般需要大約3~4個(gè)采樣周期達到穩定。

　　問(wèn)：模擬微控制器從哪些方面簡(jiǎn)化了數據采集系統設計？

　　答：由 于直接在芯片上集成了多路ADC和DAC，用戶(hù)無(wú)論是系統成本還是設計復雜度上都得到了有效的降低。而IDE環(huán)境中也提供了相應的ADC或DAC的配置功能（甚 至仿真功能），可以讓用戶(hù)很直觀(guān)地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　問(wèn)：如果我需要通過(guò)UART或者I2C燒寫(xiě)程序，可以通過(guò)ADI提供的ARMWSD和i2cwsd界面燒寫(xiě)嗎？和在線(xiàn)燒寫(xiě)有何區別？在線(xiàn)燒寫(xiě)需要編寫(xiě)bootloader程序嗎？

　　答：ADuC702x系列擁有2個(gè)不同的啟動(dòng)加載選項：1）I2C，主要用于光學(xué)元件市場(chǎng)；2）UART，通用。這些啟動(dòng)加載程 序 被整合到ADuC702x內核中。ARMWSD面向 UART 版ADuC702x，而I 2 CWSD面向I 2 C版ADuC702xI。

　　問(wèn)：最新的aduc7128和以前的aduc7026的arm內核有什 么不同，增加了什么新技術(shù)或新的模塊？

　　答：ADuC702x和ADuC712x均具有業(yè)內標準ARM7TDMI內 核。然而，存儲器處于不同的位置，因此需要不同的連接 程 序腳本和啟動(dòng)文件。幾個(gè)外設也不同，而且這些外設 的寄存器定義也會(huì )有所不同。

　　問(wèn)：對線(xiàn)性采集可以用增益校正和偏移校正來(lái)完成，那么對 DAC的電壓設置中出現的誤差如何校正？

　　答：ADuC8xx和ADuC702x沒(méi)有DAC偏移寄存器。偏移問(wèn) 題的2種可能的解決方案如下：

　　1）有效補償

　?、?在外部，將DAC輸出連接到ADC輸入通道上。還可 以使用內部連接ADC通道9或10。

　?、?將數值寫(xiě)入DAC。

　?、?在DAC輸出上進(jìn)行ADC轉換，并與期望值比較。

　?、?按照要求調高或降低DAC輸出。

　　2）DAC“校準”

　　利用ADC和DAC定期執行下列操作：

　?、?從DAC輸出滿(mǎn)標度，并利用ADC進(jìn)行轉換。

　?、?從DAC輸出零標度，并利用ADC進(jìn)行轉換。

　?、?計算斜率，并與理想值比較。