簡介

YTM32的ADC轉換器外設最多可以集成32個輸入通道，最高12b轉換精度，最快可以支持2M Sps的12b采樣。ADC轉換器外設內部的主要結構，如圖x所示，包括ADC輸入通道復用器、ADC轉換器、FIFO等。

圖x ADC外設模塊框圖

YTM32B1ME上集成了兩個ADC轉換器，每個轉換器實際僅對外開放了24個輸入通道，并且ADC0還在芯片內部綁定了若干采樣點（所謂的external channel）。如圖x所示。

圖x ADC在芯片內部綁定的采樣信號

ADC作為一個模擬外設，通常會使用兩個時鐘源：使用總線時鐘驅動數字部分的電路，例如通過總線訪問寄存器等；通過功能時鐘驅動模擬部分的ADC轉換器工作。如圖x所示。

圖x ADC外設的總線時鐘和功能時鐘

這里有兩個要點：

• 通過IPC可以選擇ADC轉換器的輸入時鐘源。實際上，ADC的模擬電路部分也不一定能消化掉來自于IPC的時鐘源，內部還專門設計的分頻器。模擬電路對頻率敏感，因此特定的電路也會要求能夠處理的頻率信號在一定范圍內。YTM32的ADC轉換器最高可以使用16MHz的時鐘信號作為ADC轉換器的時鐘源。
• 模擬和數字部分在交換數據時，需要處理同步（同支持高頻率的定時器）。

ADC采樣的時序，通常包含采樣（Sampling）和保持（Holding）兩個階段，如圖x所示。采樣和保持在ADC的時鐘驅動下工作，時間越長，采樣的結果越接近真實值，但速度也會變慢。若用戶需要使用更快的采樣速度，只要提高ADC轉換時鐘和縮短采樣保持階段的時間即可，但產生的轉換結果就可能損失一些準確度了。

圖x ADC轉換中的采樣保持時間

YTM32的ADC外設，為了有效地使用電能，將ADC轉換器上電和掉電的控制接口也開放給用戶了。要知道，ADC作為一個模擬外設，是個耗電大戶（另一個耗電大戶是PLL），如果在不需要執行ADC轉換任務的階段停電，可能有效減少功耗，也能控制芯片的發熱。但是，ADC上電和下電過程，也都是需要一定時間的，上電過程需要等待供電穩定后才能啟動ADC轉換任務，ADC需要把正在執行的任務執行完畢，清理好工作現場之后才能順利下電。這些時間，都將會在使用ADC轉換器的過程中由用戶配置。

原理與機制

ADC轉換器的上下電和省電模式

MCU上電后，軟件通過IPC模塊，為ADC外設模塊開放了總線時鐘供應，但此時，ADC轉換器的供電還沒有加上，ADC外設模塊處于掉電模式（Off State，power-down mode）。若要啟用ADC轉換器，需由用戶先設定ADC_CTRL[ADEN]=1，開始為ADC轉換器供電，待t_startup（約2us）后，ADC轉換器供電穩定，硬件置寄存器位ADC_CTRL[ADRDY]=1，告知用戶可以啟動轉換。此時請求ADC開始轉換，軟件觸發設定寄存器ADC_CTRL[ADSTART]=1，才正式啟動ADC轉換。如圖x所示。

圖x ADC轉換器的信號時序

注意，圖x中的ADSTART信號在ADRDY之前置位，同前文講述等待ADRDY置位后才拉起ADSTART不同。這展示了一種典型的情況：ADSTART只是請求不是命令，只有當ADRDY置位之后，ADC轉換器才能啟動。

ADC_CTRL[ADDIS]=1可以直接給ADC轉換器斷電。但為了確保ADC內部的狀態機不會被打亂，建議先通過ADC_CTRL[ADSTOP]=1請求停止轉換任務，在確保ADC轉換器已經不再執行任何轉換任務后，再給ADC轉換器斷電。

關于給ADC轉換器斷電的操作，YTM32的ADC外設還設計了一些“自動化”的供電管理機制，自動斷電Auto-Off模式，對應寄存器開關ADC_CFG0[AUTOOFF]。

• 默認未啟動自動斷電模式時，用戶一為ADC轉換器建立穩定的供電后，若無人為停用，則對ADC轉換器持續供電。下次啟動轉換也不需要等上電穩定。
• 若啟用自動斷電模式，則一旦ADC轉換器閑下來就自動斷電，在下次轉換任務的觸發信號到來時可自動喚醒恢復供電。此時，每次啟動轉換任務，ADC轉換器都要等上電穩定（t_startup）后再啟動轉換。這個模式下，原本硬件反饋供電穩定的ADC_CTRL[ADRDY]標志位將不再起作用（置位）。

啟用自動斷電模式后，執行每次轉換任務之前，都需要重新等待供電穩定的時間t_startup，這無疑影響了ADC的連續轉換速率。但大多數情況下，應用對連續轉換速率沒有特別高的要求，使用啟動斷電模式可以在簡化用戶操作的前提下（不需要人工上電斷電），有效降低ADC轉換器的動態功耗。

ADC轉換結果和FIFO

ADC外設內部設計了一個32-bit x 16 的FIFO，按照轉換完成的順序，依次存入轉換完成的結果。用戶從寄存器ADC_FIFO作為讀FIFO的入口，可以依次讀出轉換結果。

FIFO中的數據單元包含轉換結果對應的通道ADC_FIFO[CHID]和轉換數值ADC_FIFO[DATA]，無論設定的轉換分辨率（ADC_CFG[RES]）是多少，數值固定右對齊的。如圖x所示。

ADC FIFO中的轉換結果

當FIFO填滿了未能及時讀走的轉換數據，ADC外設設計了兩種機制處理后來的數據，一種是Overrun Mode，另一個是Wait Mode：

• Overrun Mode描述的是，當新的轉換結果到來時，是覆蓋FIFO中最近一次轉換結果，還是直接拋棄掉新的轉換結果。由寄存器ADC_CFG0[OVRMD]控制啟用。
• Wait Mode描述的是，當FIFO滿的時候，直接給ADC轉換器斷電（類似于Auto-Off模式）。只有當FIFO有空位的時候，才能給ADC轉換器供電。由寄存器ADC_CFG0[WAIT]控制啟用。

ADC轉換隊列的工作模式

ADC的轉換過程，是由多個單通道的轉換任務串起來的轉換隊列，由寄存器字段ADC_CFG0[SEQLEN]由觸發信號驅動執行轉換過程。YTM32的ADC外設模塊中，設計了多種觸發機制，以不同的節奏執行轉換隊列中的轉換任務。通過配置寄存器位ADC_CFG0[DISCEN]和ADC_CFG0[CONT]，對應有Single模式、Continuou模式和Discontinuous模式。

表x ADC轉換隊列的工作模式

圖x ADC轉換隊列的工作模式

ADC轉換器的觸發信號

ADC外設模塊可以捕獲軟件觸發和硬件觸發信號（一個上升沿脈沖信號），以啟動轉換任務。觸發信號無論是來自于軟件觸發還是硬件觸發，對于啟動轉換的作用是完全相同的，但ADC僅允許使用其中一種觸發模式，由寄存器ADC_CFG0[TRIGMD]選定。

• 當ADC_CFG0[TRIGMD]=0，軟件觸發可由用戶寫寄存器ADC_CTRL[ADCSTART]=1產生。
• 當ADC_CFG0[TRIGMD]=1，還需要設定寄存器ADC_CTRL[ADCSTART]=1解鎖硬件觸發信號（同步），硬件觸發的信號可以來自于芯片上的其它外設模塊。

硬件觸發信號大多來自于TMU（Trigger Multiplexer Module）或者PTU模塊（Programmable Trigger Unit），可以通過CIM（Chip Integration Module）模塊的寄存器CIM_CTRL[ADCn_TRIG_SEL]選擇ADC外設外部的觸發信號源：

• Raw signal which from the PTU module (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=0)
• Signal from the TMU module and synchronized by bus clock (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=1)
• Signal from the TMU module and synchronized by function clock (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=2)

ADC轉換器的看門狗

YTM32微控制器的ADC外設設計了看門狗的功能，這個功能在同類的設計中，還有一個更直觀的名字，“硬件自動比較”。意思是通過為采樣轉換結果設置一個高限ADC_WDTH[HIGH]和低限ADC_WDTH[LOW]框起來的正常數值區間，每次ADC執行轉換完成后，硬件都自動將轉換結果同預設的正常數值區間進行比較，當采樣結果過高（高于高限）或者過低（低于底限），都會觸發一個超出預設范圍的事件（可以觸發中斷）。這個功能通常用于實現對傳感器的監控。某些MCU上設計ADC可以使用異步時鐘在低功耗模式下繼續存活，就會用到這個硬件自動判定超限的機制，只有當出現異常采樣時，才喚醒CPU對環境做進一步的判斷。

然而，當下的這款ADC最多可以保存16個轉換結果（在FIFO中）和24個采樣通道，但沒有為16個轉換結果或者24個采樣通道分別安排上限值寄存器和下限值寄存器。 這里有個機制，通過寄存器ADC_WDCTRL[WDSGL]選擇：

• 當ADC_WDCTRL[WDSGL]=0時，硬件比較的機制會作用于FIFO的入口，任何通道的轉換結果進入FIFO時，都會被比較，有可能觸發超事件。
• 當ADC_WDCTRL[WDSGL]=1時，硬件自動比較會現定于某個指定的通道，通道號設置于寄存器字段ADC_WDCTRL[WDCHSEL]中。

另外，還有控制位ADC_WDTH[THMD]，可以設定在ADC轉換的結果是限定區域之內觸發超限事件還是在限定區域之外。如圖x所示。

圖x 硬件自動比較的有效范圍

中斷事件和DMA

ADC轉換器能夠觸發中斷的事件，主要是面向轉換任務和轉換隊列的執行轉換任務完成的情況，ADC外設甚至對ADC轉換器上電成功和采樣階段結束也設計中斷事件。

ADC的DMA是基于FIFO設計的。用戶可以在寄存器ADC_CFG0[WM]中設定產生DMA觸發信號的FIFO有效數據數量的閾值，當FIFO中已經填入的轉換結果數量達到預設的閾值時，ADC外設會向DMAMUX發出DMA觸發信號，預設的DMA搬運任務將一次性從ADC的FIFO中搬運走預設數量（可以小于等于預設的數量閾值）的轉換結果、

FIFO的閾值事件是可以產生DMA的觸發信號的同時，也可以產生中斷的觸發信號。根據設計慣例，當同一個事件的DMA和中斷觸發開關同時打開時，DMA的優先級更高，中斷信號不會發出。否則，如果在中斷服務程序中將FIFO中的數據讀走了，給DMA搬運的數據不夠多，FIFO就會產生下溢錯。

應用要點（軟件）

YTMicro SDK中包含了YTM32的ADC外設模塊的驅動程序adc_driver，并提供了關于ADC外設的樣例工程，包括：adc、adc_dma、adc_all_channels等。

總結

YTM32的手冊對ADC外設模塊進行了基本的介紹，列寫了ADC外設模塊開放給用戶的資源，本文對YTM32的ADC外設模塊的功能進行演繹，更為細致地講解了ADC外設模塊及各功能的運行機制，方便用戶充分理解ADC外設模塊并結合應用利用好在ADC中設計的硬件資源。同時，本文也是對一種ADC外設模塊的系統架構設計進行了較為細致的分析，推演了ADC外設模塊的設計方法，可以為從事芯片設計的系統架構設計師們在設計IP時提供參考。