應用模擬微控制器簡化數據采集系統設計

作者：時間：2008-01-08 來源：網絡

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　　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系列產品的結構(略)

　　這些產品的適用領域包括智能傳感器、過程控制與PLC等工業領域，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域。它們可以直接連接傳感器進行高精度測量，同時需要更少的模擬元件。

　　以ARM7代替8051內核的ADuC702x系列產品分成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，并提供了一個溫度傳感器，使控制器可以根據自身溫度進行補償。該ADC采用逐次逼近技術，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有保持電路，需要有較大的驅動電流為電容充電，為了避免誤差，可能需要外部緩沖器。轉換器的啟動方法有多種，推薦使用外部啟動轉換引腳觸發，此時延遲最小，其次是定時器觸發，精度最低的軟件觸發或可編程邏輯陣列觸發，可能會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，一個引腳為其它引腳提供參考，偽差分輸入可用于對噪聲環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，這兩個電阻串分別輸出最高有效位MSB和最低有效位LSB，所以稱為分段DAC。如果負載在5k?以上，或者信號無需進一步放大，無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，同時選用低于電源電壓100mV以上的基準電壓時，可以達到11.7位，進一步優化可以接近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位的精簡指令集架構，指令和數據復用32位總線，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，此時具有更大的代碼密度，但是限制對寄存器的訪問。控制器自身是三級流水線結構，如果當前指令沒有完成，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送達，寄存器地址采用線性預設，有助于編程的方便性。應當注意，與SRAM相比，FLASH具有更快的擦寫時間，以及更多的擦寫次數和數據保存時間。

　　圖6 PLA組成的狀態機(略)

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

　　數字外設

　　PLA由2~8個邏輯單元陣列組成，其中每個單元的輸入可以是任意一個GPIO引腳、時鐘、計數器溢出或任意的寄存器位。輸出可以作為另外一個PLA的輸入或寄存器位。邏輯單元的配置可以通過軟件進行。

　　圖7 PLA的使用實例(略)

　　ADuC7000產品提供了常見的數字端口，包括GPIO、I2C兼容接口以及改進的UART接口，它具有小數分頻器以及網絡尋址模式，此外還提供了SPI接口。

　　微控制器具有四個以上的定時器，一個是倒計數的16位實時計數器，一個可以捕獲中斷的32位計數器，既可以遞增計數也可以遞減計數，一個32位的喚醒計時器，以及一個16位的看門狗計時器。

　　控制器中還集成了其它一些外設，比如電源監視器，具有兩個可編程電平，在電源電壓降落到這兩個電平以下時觸發中斷。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發工具包括Quickstart及Quickstart擴展型兩種，前者可以通過串口利用匯編語言進行調試，而擴展型則可以通過C語言和匯編語言進行非侵入式調試。另外還提供一種擴展性差的Mini型開發套件。所有的軟件都是采用Keil uVision進行編寫與項目管理。其中包括了IAR測試版。

　　圖8顯示了AduC7128/9用于驅動直流電機的設計。

　　控制汽車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化這些工作，隨著混合動力車的發展，對汽車電力的監控和控制變得非常必要，這種應用的環境惡劣，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ADC，可以進行電壓、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，還提供了汽車電氣中常見的LIN2.0接口。

　　圖8 采用AduC控制器簡化直流電機驅動電路設計(略)

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

　　問答選編

　　問：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系。ADI的單片機在電機控制等的惡劣環境都有成功的應用。但是，還是需要在這種環境下加入標準的抗干擾措施。

　　問：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系，然后通過當時溫度傳感器測得的溫度來校正。

　　問：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的速度會較高。

　　問：傳感器小信號時存在噪音，這一問題采用ADuC7000系列時如何解決?

　　答：一方面，可以使用差分的方式進行處理，如差分放大。差分接到ADuC產品的差分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行對噪聲的濾除。

　　問：如果用C語言開發，代碼量是不是有限制？