可配置模擬單片機(jī)PIC16C781/782的特點(diǎn)及應(yīng)用

1概述

美國(guó)MICROCHIP公司推出的PIC系列8位單片機(jī)是業(yè)內(nèi)首次采用RISC結(jié)構(gòu)的高性?xún)r(jià)比嵌入式控制器，其高速度、高可靠性、低工作電壓、低功耗、大驅(qū)動(dòng)能力、低價(jià)OTP技術(shù)、體積小巧等都體現(xiàn)了當(dāng)前微控制器工業(yè)的新趨勢(shì)，并在電腦外設(shè)、家電控制、電訊通信、智能儀器儀表、汽車(chē)電子、金融電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。最近，PIC系列單片機(jī)家族又添新丁，由MICROCHIP公司推出的兩款8位可配置模擬單片機(jī)PIC16C781和PIC16C782 的問(wèn)世,給業(yè)界送來(lái)一股清涼風(fēng)。新器件集成了多個(gè)模擬和數(shù)字模塊，極大地減少了嵌入式控制系統(tǒng)中所需的元件數(shù)，非常適合于閉環(huán)控制場(chǎng)合，受到了電子工程師們的青睞。

2引腳排列及特點(diǎn)

PIC16C78X是20引腳雙列直插式大規(guī)模集成電路，其引腳排列如圖1所示，引腳功能請(qǐng)查有關(guān)資料，此處不再贅述。PIC16C78X是PIC系列單片機(jī)家族的1員，它本身也集中了PIC系列單片機(jī)的許多亮點(diǎn)[1]，其主要特點(diǎn)如下：
——高性能RISCCPU；
——僅35條單字指令，除程序分支指令外，其余指令均為單周期指令，且尋址靈活；
——8級(jí)深度的硬件堆棧；
——有中斷能力（8個(gè)內(nèi)部／外部中斷源）；
——有16個(gè)輸入／輸出引腳；
——1個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器TIMER0，帶8位預(yù)分頻器；
——增強(qiáng)型16位定時(shí)計(jì)數(shù)器TIMER1，帶預(yù)分頻器；
——可編程PORTB口為弱上拉，也可編程為電平變化中斷；
——具有較強(qiáng)的模擬功能模塊，如ADC,DAC,OPA,C,VR；
——可編程開(kāi)關(guān)方式控制器PSMC，有PWM和PSM2種工作方式；
——可編程低壓檢測(cè)模塊LVD；
——具有上電復(fù)位POR，加電定時(shí)器PWRT，振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器OST功能；
——看門(mén)狗WDT及片內(nèi)RC振蕩器；
——內(nèi)部／外部復(fù)位端MCLR；
——程序代碼可加密；
——省電休眠模式SLEEP；
——振蕩器方式可選HS,XT,LP,EC,RC,INTRC。

圖1    PIC16C78X的引腳排列

3模擬單元介紹

模擬功能模塊是PIC16C78X單片機(jī)的精華所在，下面分別對(duì)其作以介紹。

3．1低壓檢測(cè)模塊(PLVD)和參考電壓源模塊(VR)

可編程低壓檢測(cè)模塊PLVD用來(lái)監(jiān)視單片機(jī)電源VDD，實(shí)際上是對(duì)電源掉電的1種預(yù)警，以便在單片機(jī)完全掉電以前對(duì)一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理，可通過(guò)低壓檢測(cè)模塊控制寄存器LVDEN來(lái)配置。參考電壓源模塊VR提供了1個(gè)在片固定的參考電壓，其值為3.072V，可用于ADC和DAC或從RB0輸出，可通過(guò)參考電壓控制寄存器REFCON來(lái)配置。

3．2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC是1個(gè)逐次逼近式8位8通道ADC，其模擬參考電壓ADCREF可以用軟件編程，且有4種選擇：模擬電源AVDD；比較器C1的參考電壓端VREF1(RB3)；參考電壓源模塊VR的輸出；數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊DAC的輸出VDAC。ADC的另一個(gè)特點(diǎn)是它還可以在休眠狀態(tài)下工作，這時(shí)， ADC模塊的時(shí)鐘必須配置為ADC專(zhuān)用內(nèi)部阻容振蕩器RC方式。與ADC模塊有關(guān)的特殊功能寄存器有3個(gè)，即ADC結(jié)果寄存器ADRES，2個(gè)ADC控制寄存器ADCON0和ADCON1。

3．3數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(DAC)

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC可以將8位DAC數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1個(gè)與其成比例的輸出控制電壓，并通過(guò)編程，將其作為ADC的參考電壓，或作為比較器C1、 C2的參考電壓，或從RB1口直接輸出。DAC模塊的參考電壓可以選自模擬電壓源AVDD，或比較器C1的參考電壓端VREF1(RB3)，或參考電壓源 VD。控制數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的特殊功能寄存器有2個(gè)，即數(shù)模轉(zhuǎn)換控制寄存器DACON0，數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器DAC。

3．4運(yùn)算放大器模塊(OPA)

運(yùn)算放大器模塊OPA既能配置為運(yùn)算放大器，也可以配置為電壓比較器，其特點(diǎn)是可連到外部所有口，增益帶寬可選，有輸入偏置電壓自動(dòng)校正模塊，用作電壓比較器時(shí)還具有輸出電平變化中斷功能?？刂芆PA模塊工作的寄存器有2個(gè)，即運(yùn)算放大器控制寄存器OPACON和校正寄存器CALCON。

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3．5比較器模塊

比較器模塊包含兩個(gè)獨(dú)立的比較器C1和C2，其特點(diǎn)是比較器輸出可外引，輸出極性可編程，有輸出電平變化中斷標(biāo)志，休眠喚醒，可編程為PSMC的反饋輸入，4端輸入可選，參考電壓可選，速度可選，C2比較器還有其輸出與定時(shí)器T1時(shí)間輸入同步功能等。C1和C2分別由特殊功能控制寄存器CM1CON0和 CM2CON0來(lái)控制，C2還有1個(gè)第二控制寄存器CM2CON1,該專(zhuān)用寄存器用于與T1的同步控制和對(duì)2個(gè)比較器的同時(shí)讀數(shù)控制。

3．6可編程開(kāi)關(guān)方式控制器模塊(PSMC)

可編程開(kāi)關(guān)方式控制器模塊PSMC用于構(gòu)成脈沖反饋系統(tǒng)，它可以根據(jù)模擬反饋量的大小產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖輸出。反饋量來(lái)自比較器，它也是可編程的，允許單通道或雙通道反饋，比較器的參考電壓可編程，輸出極性也可編程。更為重要的是PSMC的輸出脈沖方式也可編程，即可以編程為脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖串調(diào)制(PSM)2種工作方式。對(duì)PSM方式，脈沖串具有固定占空比且受控于反饋量，而對(duì)PWM方式，輸出脈沖的寬度受控于反饋量。另外，PSMC模塊的輸出脈沖還可以編程為3種方式：?jiǎn)温份敵觯粏温份敵黾?個(gè)斜坡補(bǔ)償輸出；雙路交互輸出。所有脈沖的觸發(fā)和占空周期的定時(shí)均由CPU內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)控制。

在PWM方式中，PSMC實(shí)際上是1個(gè)定時(shí)器控制的復(fù)位／置位雙穩(wěn)態(tài)脈沖發(fā)生器，脈沖由內(nèi)部的記數(shù)串觸發(fā)，當(dāng)脈沖持續(xù)可編程的最小占空周期后，由比較器輸出端電平的高低跳變或由最大的可編程占空周期來(lái)終止，從而在輸出端得到1個(gè)占空周期可調(diào)制的脈沖，此脈沖占空周期受控于反饋量，且頻率可調(diào)，最大占空周期可調(diào)，最小占空周期可調(diào)至0％。

在PSM方式中，PSMC工作于1個(gè)占空周期固定的脈沖發(fā)生器，輸出脈沖由模擬反饋量來(lái)觸發(fā)。在發(fā)1個(gè)脈沖之前，先對(duì)模擬反饋進(jìn)行采樣，若比較器輸出為高，發(fā)出1個(gè)脈沖并保持有效，直至編程的占空周期完成，若比較器的輸出為低，則不輸出脈沖，PSMC等待下1個(gè)脈沖。在這種方式中，脈沖串受控于模擬反饋量，且輸出脈沖的頻率和占空周期均可編程。PSMC模塊由2個(gè)特殊功能寄存器來(lái)控制，即PSMC控制寄存器PSMCCON0和PSMCCON1。

4應(yīng)用舉例

圖2所示是PIC16C78X在控制開(kāi)關(guān)電源方面的應(yīng)用實(shí)例。此例中，PSMC配置為PWM方式，屬于電流方式的開(kāi)關(guān)電源控制器，圖中有2個(gè)反饋環(huán)路，1 個(gè)內(nèi)部電流環(huán)和1個(gè)外部電壓環(huán)。內(nèi)部電流環(huán)又分成2個(gè)通道，Q1/L1和Q2/L2。由PMSC控制的PWM輸出脈沖，交替地驅(qū)動(dòng)Q1和Q2的導(dǎo)通，在2 個(gè)輸出脈沖各自的有效期間，電流流過(guò)輸出電感并對(duì)電容器Cm充電，此電流與誤差電壓成比例，當(dāng)電壓充到大于誤差電壓時(shí)，比較器使PSMC復(fù)位， MOSFET關(guān)斷，電感器通過(guò)二極管向電容器放電。外部電壓環(huán)通過(guò)R1/R2檢測(cè)Cm上的電壓，運(yùn)算放大器的參考電壓來(lái)自數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊DAC，它與反饋電壓相減得到誤差電壓，這個(gè)電壓經(jīng)運(yùn)算放大器濾波后送給內(nèi)部電流環(huán)的比較器C1。

圖2    開(kāi)關(guān)電源控制器原理框圖

5結(jié)束語(yǔ)

在MICROCHIP已有的產(chǎn)品中，有幾款單片機(jī)也有模擬單元，如PIC16C62X系列就有比較器和參考電壓模塊，PIC16C7XX系列有8位ADC 模塊和PWM模塊等，但新近推出的這1款模擬單片機(jī)PIC16C78X并不是它們的疊加，而是在它們的基礎(chǔ)上創(chuàng)新。如DAC模塊，原有單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換只能對(duì)PWM的輸出再加濾波等元件，而此款模擬單片機(jī)的DAC就可以直接輸出模擬電壓；以前的單片機(jī)只有比較器，而無(wú)運(yùn)算放大器，此款模擬單片機(jī)既有雙路比較器，又有一個(gè)運(yùn)算放大器；特別是PMSC模塊，它既可編程為PWM工作方式，也可編程為PSM工作方式，這2種方式在控制中最為常用?？傊?PIC16C78X系列單片機(jī)稱(chēng)為可配置模擬單片機(jī)是當(dāng)之無(wú)愧的?？梢灶A(yù)見(jiàn)，它將在發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制，功率逆變器，信號(hào)發(fā)生器，音頻設(shè)備，通用傳感器接口和充電器等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。