帶嵌入式MCU的8通道12位AD轉(zhuǎn)換器ADuC812及其應(yīng)用

介紹了帶嵌入式MCU的8通道12位A／D轉(zhuǎn)換器ADuC812的結(jié)構(gòu)和使用方法，及其在動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。
    關(guān)鍵詞：MCU，A／D轉(zhuǎn)換器，ADuC812，動(dòng)平衡機(jī)

1　引　言
　　A／D轉(zhuǎn)換器的種類很多，不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)其要求不同，有的要求高轉(zhuǎn)換速率，有的要求有高精度，還有的用于便攜式儀表中，需要低功耗等等。用于數(shù)據(jù)采集板的A／D轉(zhuǎn)換器，一般是和計(jì)算機(jī)或微處理器結(jié)合在一起使用。隨著單片機(jī)在各種智能儀器儀表中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了一些將A／D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)內(nèi)核集成在一塊芯片上的數(shù)據(jù)采集芯片，ADuC812就是這樣一種芯片。
　　ADuC812是8通道12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它具有如下特點(diǎn)（見(jiàn)Analog Devices公司的資料：MicroConverter，Multichannel 12－Bit ADC withEmbedded Flash MCU ADuC812，2002）：
　　內(nèi)含8通道高精度12位A／D轉(zhuǎn)換器；高達(dá)200kHz的采樣轉(zhuǎn)換速率；可通過(guò)DMA控制器實(shí)現(xiàn)由ADC到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；片內(nèi)還包含2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)包含有溫度傳感器；片內(nèi)集成有和8051兼容的MCU內(nèi)核，工作頻率為12MHz，最高可達(dá)16MHz，MCU上帶有3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，9個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)；片內(nèi)帶8K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器，640字節(jié)FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)還可擴(kuò)展16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器；低電壓3V或5V供電，有節(jié)電模式；帶UART和SPI串行接口；帶看門(mén)狗定時(shí)器。
2　管腳說(shuō)明
   ADuC812采用S－52封裝，它的大部分管腳和8051相應(yīng)管腳功能相同，幾個(gè)主要管腳功能如下：
　　P1口：和8051的P1口功能不同，它只能作為模擬或數(shù)字信號(hào)的輸入口，而不能作為輸出口，缺省狀態(tài)為8路模擬信號(hào)輸入端，要使它們中的某位變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入腳，應(yīng)向P1口對(duì)應(yīng)的特殊功能寄存器的相應(yīng)位寫(xiě)入“0”信號(hào)，如果該特殊功能寄存器的相應(yīng)位為“1”，則該位對(duì)應(yīng)的管腳為模擬信號(hào)輸入腳；
　　DAC0、DAC1：為兩路D／A轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸出腳；
　　SS、SCLK、MOSI、MISO：為串行設(shè)備接口（SPI）。
SS為SPI接口的從屬設(shè)備選擇，在多機(jī)通信中使用，SCLK為SPI接口時(shí)鐘，MOSI以及MISO為輸入／輸出數(shù)據(jù)線；
　　D0、D1：和SPI接口復(fù)用的數(shù)字輸出腳，通過(guò)DCON特殊功能寄存器控制從D0或D1腳輸出數(shù)字信號(hào)；
T2：定時(shí)器2數(shù)字信號(hào)輸入腳；
　　T2EX：數(shù)字輸入腳，讀取定時(shí)器2的計(jì)數(shù)器或重裝該計(jì)數(shù)器的觸發(fā)腳，負(fù)跳變時(shí)有效。
　　其它腳的功能和8051相應(yīng)腳的功能相同。
3　使用方法
3．1　程序存儲(chǔ)器
　　程序存儲(chǔ)器分為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)含有8K字節(jié)的FLASH可編程程序存儲(chǔ)器，可滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該段程序存儲(chǔ)器可以用兩種方式寫(xiě)入，一種是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口進(jìn)行串行下載寫(xiě)入，當(dāng)PSEN管腳通過(guò)外部電阻接地時(shí)，在上電后自動(dòng)進(jìn)入串行下載模式，通過(guò)串行口自動(dòng)從外部開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中下載程序；第二種方式和E2PROM的編程方式相同，通過(guò)編程器進(jìn)行并行寫(xiě)入。
3．2　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
　　ADuC812的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包含三部分，片內(nèi)640字節(jié)的FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、256字節(jié)的RAM以及片外可擴(kuò)展到16M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被分成160頁(yè)，每頁(yè)4字節(jié)，通過(guò)6個(gè)特殊功能寄存器來(lái)進(jìn)行存取，即通過(guò)ECON、EADRL以及EDATA1～4來(lái)存取，EADRL寄存器指定要進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的頁(yè)地址，ECON控制寄存器可控制EDATA1～4寄存器和EADRL指定的頁(yè)內(nèi)4個(gè)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而ECON還可控制FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擦除、校驗(yàn)等操作，它的控制模式如表1所示。
 

　　外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為000000H～0FFFFFFH，共有16M字節(jié)地址空間，低16位地址線的連接和8051單片機(jī)系統(tǒng)中的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址連接方式相同，高8位的連接方式是復(fù)用P2口，利用ALE地址鎖存信號(hào)在鎖存P0口的低8位地址信號(hào)的同時(shí)鎖存高8位地址信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)16M字節(jié)地址空間的尋址。它的數(shù)據(jù)指針和8051單片機(jī)不同，是由3個(gè)8位寄存器組成，即DPP（頁(yè)字節(jié)）、DPH（高位字節(jié)）、DPL（低位字節(jié)）。
3．3　A／D轉(zhuǎn)換器
　　ADuC812包含一個(gè)8通道單電源12位逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器的線性誤差為±1／2 LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為5μs，可以提供內(nèi)部2．5V參考電源，同時(shí)也可以外接從2．5V到AVDD的參考電源，通過(guò)ADCCON1～3三個(gè)特殊功能寄存器來(lái)控制A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可保存在ADCDATAH／L二個(gè)特殊功能寄存器中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低8位保存在ADCDATAL寄存器中，而高4位保存在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高四位用來(lái)保存采樣的通道號(hào)。如果采樣數(shù)據(jù)較大，如以200kHz的速率對(duì)被輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，這時(shí)必須用DMA模式，將采樣數(shù)據(jù)直接保存在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，采樣結(jié)束后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
    三個(gè)控制寄存器的功能如下。
    （1）ADCCON1控制采集和轉(zhuǎn)換時(shí)間以及轉(zhuǎn)換模式，各位的功能如下：
 

　　CK1、CK0選擇主時(shí)鐘分頻系數(shù)，從主時(shí)鐘分頻來(lái)產(chǎn)生ADC時(shí)鐘，CK1－0為00～11，分別按1、2、4、8分頻。
　　AQ1、AQ0選擇ADC采樣保持時(shí)鐘，分頻系數(shù)從ADC時(shí)鐘分頻產(chǎn)生，AQ1－0為00～11時(shí)分別按1、2、4、8分頻。
　　T2C：定時(shí)器2溢出觸發(fā)位，通過(guò)置位該位，可使用定時(shí)器2的溢出信號(hào)作為ADC轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)。
　　EXC：ADC轉(zhuǎn)換外部觸發(fā)使能位，通過(guò)置位該位，可由外部引腳（CONVST）來(lái)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。
    （2）ADCCON2控制通道選擇和轉(zhuǎn)換模式：
 

其中，ADCI為中斷標(biāo)志位；DMA為DMA模式使能位；CCONV為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式使能位；SCONV為單次轉(zhuǎn)換模式使能位；CS3、CS2、CS1、CS0為通道選擇位，用戶通過(guò)程序指定須進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的通道。CS3－0為0000～0111時(shí)指示8個(gè)通道號(hào)，1000時(shí)指示溫度傳感器，1111為DMA終止信號(hào)，其他情況保留。
　　（3）ADCCON3用于給出ADC狀態(tài)指示位，只有第7位為BUSY位，其它位保留，BUSY位為只讀位，在一個(gè)有效的ADC轉(zhuǎn)換或校驗(yàn)周期中，該位為“1”，當(dāng)轉(zhuǎn)換或校驗(yàn)結(jié)束后，該位清“0”。
3．4　D／A轉(zhuǎn)換器
　　ADuC812包含兩個(gè)12位的D／A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器可用于轉(zhuǎn)換12位或8位數(shù)據(jù)，兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器共用一個(gè)控制寄存器DACCON，每個(gè)轉(zhuǎn)換器還有兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)在寄存器中是右調(diào)整，低8位在DACxL寄存器中，高4位在DACxH的低4位中，控制寄存器DACCON各位
的作用如下所示：

其中，MODE用于控制DAC轉(zhuǎn)換的模式，“1”為8位模式，“0”為12位模式；RNG1、RNG0用于輸出范圍控制，“1”為0～VDD，“0”為0～VREF；CLR1、CLR0為輸出清除位，“0”使輸出強(qiáng)迫為0V，“1”使輸出正常；SYNC為兩通道輸出同步控制位，為“1”時(shí)，改寫(xiě)DACxL寄存器，輸出即產(chǎn)生變化，要使兩通道同步變化，須在SYNC為“0”時(shí)，更新兩個(gè)通道的DACxL／H寄存器，然后使SYNC位置“1”，兩通道同步更新輸出值；PD1、PD0為節(jié)電模式位，“0”關(guān)閉相應(yīng)通道的D／A轉(zhuǎn)換，“1”打開(kāi)D／A轉(zhuǎn)換。
　　D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓可由DACCON控制寄存器通過(guò)軟件選擇VREF或VDD，使輸出電壓范圍分別為0～VREF或0～VDD，D／A轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間小于15μs。
4　應(yīng)　用
　　基于ADuC812的諸多特點(diǎn)，如果加上必要的外部信號(hào)調(diào)理電路，就可以構(gòu)成一個(gè)完整實(shí)用的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。
    圖1是一個(gè)由ADuC812構(gòu)成的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。
 

　　轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于不平衡而產(chǎn)生離心力引起擺架系統(tǒng)振動(dòng)，動(dòng)平衡機(jī)通過(guò)傳感器將此機(jī)械振動(dòng)量變成電信號(hào)，然后經(jīng)平面分離、衰減和定標(biāo)調(diào)整、濾波放大等處理電路，最后由
指示儀表進(jìn)行顯示。動(dòng)平衡機(jī)在平衡轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子的任一平面上有不平衡量，必然要在左右兩個(gè)支承上同時(shí)引起振動(dòng)，振動(dòng)的大小可以通過(guò)左、右兩個(gè)傳感器測(cè)量出來(lái)，設(shè)m1r1和m2r2為左右校正面上的不平衡量，左校正面上的單位不平衡量在左右兩端引起的振動(dòng)分別為αL1和αR1，右校正面上的單位不平衡量在左右兩端引起的振動(dòng)分別為αL2和αR2，左右兩端總的振動(dòng)為VL和VR，如圖2所示，則有，
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式中，Δ＝αL1αR2－αR1αL2是方程組的系數(shù)行列式，如果通過(guò)分壓電路，將右端的振動(dòng)量取出和左端的振動(dòng)量相減，則左端的不平衡量m1r1只與左端的振動(dòng)VL有關(guān)，只是與左端不平衡量大小有關(guān)的一個(gè)標(biāo)量，通過(guò)定標(biāo)設(shè)定可以補(bǔ)償它們。這樣就消除了右端的不平衡量對(duì)左端的影響，同樣也可以消除左端的不平衡量對(duì)右端的影響，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，可完成對(duì)信號(hào)的衰減控制、平面分離、信號(hào)放大以及電平的偏置，使輸出信號(hào)既包含交流的振動(dòng)信號(hào)，又包含直流的偏置電平。因A／D轉(zhuǎn)換電路是單電源器件，只能轉(zhuǎn)換0～VREF的正電壓，不能轉(zhuǎn)換負(fù)電壓，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后的振動(dòng)信號(hào)在經(jīng)過(guò)相敏檢波后，輸出的是正的直流電壓，滿足A／D轉(zhuǎn)換的要求。
　　經(jīng)過(guò)R00和R900相敏檢波，可將右端的振動(dòng)信號(hào)VR在00和900方向上進(jìn)行分解，設(shè)分別為VR0和VR90，而經(jīng)過(guò)L00和L900相敏檢波，可將左端的振動(dòng)信號(hào)VL在00和900方向上進(jìn)行分解，設(shè)分別為VL0和VL90，則左右兩端的振動(dòng)的幅值分別為：

因此，相敏檢波后，得到了左右兩端兩個(gè)相位差為90°的分量，對(duì)它們進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后，由MCU分別計(jì)算左右兩端的幅值和相角，振動(dòng)的幅值｜VL｜和｜VR｜反映了左右兩端振動(dòng)的大小，通過(guò)｜VL｜和｜VR｜的計(jì)算，可解算出左右兩端不平衡量的大小，而振動(dòng)的相位ΦL和ΦR反映了不平衡量所處的位置，相角的計(jì)算可求出不平衡量所在的相位，指示出重點(diǎn)或輕點(diǎn)的相位位置。
    轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由外部中斷0腳控制定時(shí)／計(jì)數(shù)器0的計(jì)時(shí)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，由8051的定時(shí)／計(jì)數(shù)器在工作方式0和方式1的結(jié)構(gòu)可看出，當(dāng)TCON的TR0位為1，TMOD的GATE位為1，且T0工作于定時(shí)方式時(shí)，內(nèi)部振蕩信號(hào)經(jīng)過(guò)12分頻后給T0提供時(shí)鐘信號(hào)，T0計(jì)數(shù)與否與外部中斷0的電平高低有關(guān)，如果INT0＝0，T0不計(jì)數(shù)，如果INT0＝1，T0開(kāi)始計(jì)數(shù)，這樣就可測(cè)量脈沖寬度，通過(guò)光電頭將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)后再2分頻，得到頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一半的方波信號(hào)，通過(guò)方波信號(hào)的高電平去控制T0的計(jì)數(shù)，該數(shù)值為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期，由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期可得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大小。

　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及不平衡量的計(jì)算通過(guò)外部中斷0完成，光電頭產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)2分頻后，得到頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一半的方波信號(hào)，該信號(hào)加到INT0上，將外部中斷0設(shè)置成邊緣觸發(fā)，在每個(gè)方波的下降沿產(chǎn)生中斷，MCU讀取TL0和TH0寄存器值，并將TL0和TH0清零，開(kāi)始下一次計(jì)時(shí)，然后根據(jù)TL0和TH0的數(shù)值，計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并根據(jù)TL0和TH0中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期值的四分之一配置定時(shí)／計(jì)數(shù)器1的TL1和TH1，定時(shí)／計(jì)數(shù)器1工作于定時(shí)方式，通過(guò)定時(shí)／計(jì)數(shù)器1的中斷由兩路DAC產(chǎn)生相位差為90°兩路方波信號(hào)，用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的相敏檢波，MCU對(duì)ADC0～ADC3進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，計(jì)算左右兩平面的不平衡量的大小和相位，然后將轉(zhuǎn)速及不平衡量的大小和相位送8279進(jìn)行顯示。不平衡量測(cè)量的流程圖如圖3所示。該系統(tǒng)用于一臺(tái)渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡機(jī)的改造，收到了預(yù)期的效果。