帶嵌入式MCU的8通道12位AD轉換器ADuC812及其應用

介紹了帶嵌入式MCU的8通道12位A／D轉換器ADuC812的結構和使用方法，及其在動平衡機測量系統中的應用。
??? 關鍵詞：MCU，A／D轉換器，ADuC812，動平衡機

1　引　言
　　A／D轉換器的種類很多，不同的應用場合對其要求不同，有的要求高轉換速率，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。用于數據采集板的A／D轉換器，一般是和計算機或微處理器結合在一起使用。隨著單片機在各種智能儀器儀表中的廣泛應用，出現了一些將A／D轉換器和單片機內核集成在一塊芯片上的數據采集芯片，ADuC812就是這樣一種芯片。
　　ADuC812是8通道12位逐次逼近式A／D轉換器，它具有如下特點（見Analog Devices公司的資料：MicroConverter，Multichannel 12－Bit ADC withEmbedded Flash MCU ADuC812，2002）：
　　內含8通道高精度12位A／D轉換器；高達200kHz的采樣轉換速率；可通過DMA控制器實現由ADC到外部數據存儲器之間的高速數據存儲；片內還包含2個12位D／A轉換器；片內包含有溫度傳感器；片內集成有和8051兼容的MCU內核，工作頻率為12MHz，最高可達16MHz，MCU上帶有3個16位定時／計數器，9個中斷源，兩級中斷優先級；片內帶8K字節的FLASH程序存儲器，640字節FLASH數據存儲器，以及256字節的片內RAM數據存儲器，同時還可擴展16M字節外部數據存儲器以及64K字節的程序存儲器；低電壓3V或5V供電，有節電模式；帶UART和SPI串行接口；帶看門狗定時器。
2　管腳說明
?? ADuC812采用S－52封裝，它的大部分管腳和8051相應管腳功能相同，幾個主要管腳功能如下：
　　P1口：和8051的P1口功能不同，它只能作為模擬或數字信號的輸入口，而不能作為輸出口，缺省狀態為8路模擬信號輸入端，要使它們中的某位變為數字信號輸入腳，應向P1口對應的特殊功能寄存器的相應位寫入“0”信號，如果該特殊功能寄存器的相應位為“1”，則該位對應的管腳為模擬信號輸入腳；
　　DAC0、DAC1：為兩路D／A轉換器的模擬信號輸出腳；
　　SS、SCLK、MOSI、MISO：為串行設備接口（SPI）。
SS為SPI接口的從屬設備選擇，在多機通信中使用，SCLK為SPI接口時鐘，MOSI以及MISO為輸入／輸出數據線；
　　D0、D1：和SPI接口復用的數字輸出腳，通過DCON特殊功能寄存器控制從D0或D1腳輸出數字信號；
T2：定時器2數字信號輸入腳；
　　T2EX：數字輸入腳，讀取定時器2的計數器或重裝該計數器的觸發腳，負跳變時有效。
　　其它腳的功能和8051相應腳的功能相同。
3　使用方法
3．1　程序存儲器
　　程序存儲器分為片內程序存儲器和片外程序存儲器，片內含有8K字節的FLASH可編程程序存儲器，可滿足大部分數據采集系統的設計要求，該段程序存儲器可以用兩種方式寫入，一種是通過標準的UART串行接口進行串行下載寫入，當PSEN管腳通過外部電阻接地時，在上電后自動進入串行下載模式，通過串行口自動從外部開發系統中下載程序；第二種方式和E2PROM的編程方式相同，通過編程器進行并行寫入。
3．2　數據存儲器
　　ADuC812的用戶數據存儲器包含三部分，片內640字節的FLASH數據存儲器、256字節的RAM以及片外可擴展到16M字節的數據存儲器，其中640字節的數據存儲器被分成160頁，每頁4字節，通過6個特殊功能寄存器來進行存取，即通過ECON、EADRL以及EDATA1～4來存取，EADRL寄存器指定要進行數據存取的頁地址，ECON控制寄存器可控制EDATA1～4寄存器和EADRL指定的頁內4個存儲器之間進行數據交換，而ECON還可控制FLASH數據存儲器的擦除、校驗等操作，它的控制模式如表1所示。

　　外部數據存儲器的尋址范圍為000000H～0FFFFFFH，共有16M字節地址空間，低16位地址線的連接和8051單片機系統中的外部數據存儲器的地址連接方式相同，高8位的連接方式是復用P2口，利用ALE地址鎖存信號在鎖存P0口的低8位地址信號的同時鎖存高8位地址信號，來實現16M字節地址空間的尋址。它的數據指針和8051單片機不同，是由3個8位寄存器組成，即DPP（頁字節）、DPH（高位字節）、DPL（低位字節）。
3．3　A／D轉換器
　　ADuC812包含一個8通道單電源12位逐次逼近A／D轉換器，A／D轉換器的線性誤差為±1／2 LSB，轉換時間為5μs，可以提供內部2．5V參考電源，同時也可以外接從2．5V到AVDD的參考電源，通過ADCCON1～3三個特殊功能寄存器來控制A／D轉換，轉換結果可保存在ADCDATAH／L二個特殊功能寄存器中，轉換數據的低8位保存在ADCDATAL寄存器中，而高4位保存在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高四位用來保存采樣的通道號。如果采樣數據較大，如以200kHz的速率對被輸入的模擬信號進行連續采樣，這時必須用DMA模式，將采樣數據直接保存在外部數據存儲器中，采樣結束后再對數據進行處理。
??? 三個控制寄存器的功能如下。
??? （1）ADCCON1控制采集和轉換時間以及轉換模式，各位的功能如下：
　　CK1、CK0選擇主時鐘分頻系數，從主時鐘分頻來產生ADC時鐘，CK1－0為00～11，分別按1、2、4、8分頻。
　　AQ1、AQ0選擇ADC采樣保持時鐘，分頻系數從ADC時鐘分頻產生，AQ1－0為00～11時分別按1、2、4、8分頻。
　　T2C：定時器2溢出觸發位，通過置位該位，可使用定時器2的溢出信號作為ADC轉換觸發信號。
　　EXC：ADC轉換外部觸發使能位，通過置位該位，可由外部引腳（CONVST）來觸發ADC轉換。
??? （2）ADCCON2控制通道選擇和轉換模式：

其中，ADCI為中斷標志位；DMA為DMA模式使能位；CCONV為連續轉換模式使能位；SCONV為單次轉換模式使能位；CS3、CS2、CS1、CS0為通道選擇位，用戶通過程序指定須進行A／D轉換的通道。CS3－0為0000～0111時指示8個通道號，1000時指示溫度傳感器，1111為DMA終止信號，其他情況保留。
　　（3）ADCCON3用于給出ADC狀態指示位，只有第7位為BUSY位，其它位保留，BUSY位為只讀位，在一個有效的ADC轉換或校驗周期中，該位為“1”，當轉換或校驗結束后，該位清“0”。
3．4　D／A轉換器
　　ADuC812包含兩個12位的D／A轉換器，每個D／A轉換器可用于轉換12位或8位數據，兩個D／A轉換器共用一個控制寄存器DACCON，每個轉換器還有兩個數據寄存器，實現A／D轉換的12位數據在寄存器中是右調整，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”使輸出強迫為0V，“1”使輸出正常；SYNC為兩通道輸出同步控制位，為“1”時，改寫DACxL寄存器，輸出即產生變化，要使兩通道同步變化，須在SYNC為“0”時，更新兩個通道的DACxL／H寄存器，然后使SYNC位置“1”，兩通道同步更新輸出值；PD1、PD0為節電模式位，“0”關閉相應通道的D／A轉換，“1”打開D／A轉換。
　　D／A轉換器的參考電壓可由DACCON控制寄存器通過軟件選擇VREF或VDD，使輸出電壓范圍分別為0～VREF或0～VDD，D／A轉換的響應時間小于15μs。
4　應　用
　　基于ADuC812的諸多特點，如果加上必要的外部信號調理電路，就可以構成一個完整實用的數據采集及控制系統，并且系統的硬件結構非常簡單。
??? 圖1是一個由ADuC812構成的動平衡機測量系統。

　　轉子在旋轉過程中，由于不平衡而產生離心力引起擺架系統振動，動平衡機通過傳感器將此機械振動量變成電信號，然后經平面分離、衰減和定標調整、濾波放大等處理電路，最后由
指示儀表進行顯示。動平衡機在平衡轉子時，轉子的任一平面上有不平衡量，必然要在左右兩個支承上同時引起振動，振動的大小可以通過左、右兩個傳感器測量出來，設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分別為αL2和αR2，左右兩端總的振動為VL和VR，如圖2所示，則有，

式中，Δ＝αL1αR2－αR1αL2是方程組的系數行列式，如果通過分壓電路，將右端的振動量取出和左端的振動量相減，則左端的不平衡量m1r1只與左端的振動VL有關，只是與左端不平衡量大小有關的一個標量，通過定標設定可以補償它們。這樣就消除了右端的不平衡量對左端的影響，同樣也可以消除左端的不平衡量對右端的影響，通過信號調理電路，可完成對信號的衰減控制、平面分離、信號放大以及電平的偏置，使輸出信號既包含交流的振動信號，又包含直流的偏置電平。因A／D轉換電路是單電源器件，只能轉換0～VREF的正電壓，不能轉換負電壓，通過信號調理電路后的振動信號在經過相敏檢波后，輸出的是正的直流電壓，滿足A／D轉換的要求。
　　經過R00和R900相敏檢波，可將右端的振動信號VR在00和900方向上進行分解，設分別為VR0和VR90，而經過L00和L900相敏檢波，可將左端的振動信號VL在00和900方向上進行分解，設分別為VL0和VL90，則左右兩端的振動的幅值分別為：

因此，相敏檢波后，得到了左右兩端兩個相位差為90°的分量，對它們進行A／D轉換后，由MCU分別計算左右兩端的幅值和相角，振動的幅值｜VL｜和｜VR｜反映了左右兩端振動的大小，通過｜VL｜和｜VR｜的計算，可解算出左右兩端不平衡量的大小，而振動的相位ΦL和ΦR反映了不平衡量所處的位置，相角的計算可求出不平衡量所在的相位，指示出重點或輕點的相位位置。
??? 轉子的轉速由外部中斷0腳控制定時／計數器0的計時時間來實現，由8051的定時／計數器在工作方式0和方式1的結構可看出，當TCON的TR0位為1，TMOD的GATE位為1，且T0工作于定時方式時，內部振蕩信號經過12分頻后給T0提供時鐘信號，T0計數與否與外部中斷0的電平高低有關，如果INT0＝0，T0不計數，如果INT0＝1，T0開始計數，這樣就可測量脈沖寬度，通過光電頭將轉子的轉速轉換成脈沖信號后再2分頻，得到頻率為轉子旋轉頻率一半的方波信號，通過方波信號的高電平去控制T0的計數，該數值為轉子的旋轉周期，由轉子的旋轉周期可得到轉子的轉速大小。

　　轉子轉速及不平衡量的計算通過外部中斷0完成，光電頭產生的脈沖信號經2分頻后，得到頻率為轉子旋轉頻率一半的方波信號，該信號加到INT0上，將外部中斷0設置成邊緣觸發，在每個方波的下降沿產生中斷，MCU讀取TL0和TH0寄存器值，并將TL0和TH0清零，開始下一次計時，然后根據TL0和TH0的數值，計算轉子轉速，并根據TL0和TH0中轉子旋轉周期值的四分之一配置定時／計數器1的TL1和TH1，定時／計數器1工作于定時方式，通過定時／計數器1的中斷由兩路DAC產生相位差為90°兩路方波信號，用于對振動信號的相敏檢波，MCU對ADC0～ADC3進行A／D轉換，計算左右兩平面的不平衡量的大小和相位，然后將轉速及不平衡量的大小和相位送8279進行顯示。不平衡量測量的流程圖如圖3所示。該系統用于一臺渦輪轉子動平衡機的改造，收到了預期的效果。

1　葉能安，余汝生主編．動平衡原理與動平衡機．武漢：華中工學院出版社，1985
2　房小翠，王金鳳編著．單片機實用系統設計技術．北京：國防工業出版社，1999