Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

Пак Дэниэл Дж.

На первом такте в регистре последовательного приближения устанавливается код K1=10000000b. Этот код поступает на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), опорное напряжение которого равно U_REF=U_RH–U_RL=5,0 В.

На выходе ЦАП установится напряжение U_DAC=U_REFxK1/2⁸=2,5 В. Аналоговый компаратор сравнивает измеряемое напряжение UINP с напряжением на выходе ЦАП U_DAC. Если U_INP>U_DAC,

то на выходе компаратора формируется логическая 1. Если U_INP<U_DAC, на выходе компаратора устанавливается логический 0. Сигнал с выхода компаратора поступает на вход регистра последовательного приближения. Его значение определяет код на выходе регистра последовательного приближения в следующем такте преобразования. Если на выходе компаратора 1, то во втором такте преобразования регистр сформирует код K2 = 11000000b, если 0, то K2 = 01000000b. Иными словами, значение формируемого в текущем такте преобразования двоичного разряда равно значению логического сигнала на выходе компаратора.

На рис. 4.82 показаны возможные уровни напряжения на выходе ЦАП во втором, третьем и четвертом тактах работы АЦП. Количество уровней увеличивается с ростом номера такта, так как увеличивается число возможных комбинаций кодов на выходе регистра последовательного приближения. Так во втором такте при значении кода K2 = 11000000b на выходе ЦАП будет сформировано напряжение 3,75 В, а при коде K2 = 01000000b — 1,25 В. На восьмом такте число возможных уровней на выходе ЦАП составит 256.

АЦП последовательного приближения имеют ряд достоинств и недостатков. К достоинствам следует отнести следующие свойства:

Время преобразования не зависит от амплитуды входного сигнала и определяется только частотой тактирования и числом двоичных разрядов результата. Постоянное время преобразования удобно в микропроцессорной технике, поскольку позволяет разработчику точно рассчитать время выполнения отдельных программных фрагментов.

При получении каждого цифрового отсчета аналого-цифровое преобразование выполняется полностью сначала, результат предыдущего преобразования не оказывает влияния на последующее преобразование. Это свойство чрезвычайно важно в многоканальных модулях АЦП микроконтроллеров. Так при последовательном подключении двух измеряемых сигналов мультиплексором к одному АЦП оба измерения будут за два цикла преобразования, каждый цикл равен восьми тактам. Никаких дополнительных циклов не потребуется.

В качестве недостатков АЦП последовательного приближения следует отметить их относительно низкую скорость преобразования и достаточно сложную структуру.

Вопросы для самопроверки

1. Какому напряжению на входе АЦП соответствует код код результата «все единицы». Равно ли это измеряемое напряжение напряжению полной шкалы, т.е. U_REF=U_RH–U_RL?

Ответ: Максимальный код на выходе АЦП соответствует значениям напряжения входного сигнала U_INP>U_REF(1–2^–n). Так для 12-разрядного преобразователя с напряжением опоры 10,0 В максимальный код на выходе, равный 1111 1111 1111b, будет соответствовать напряжению входного измеряемого сигнала U_INP>U_REF(1–2^–n)=10,0(1–2^–12)=9,99756 В. Поскольку полученное значение крайне близко к U_REF, то часто говорят, что максимальный код соответствует напряжению полной шкалы U_REF. Однако, как мы установили, максимальный код в действительности несколько меньше напряжения полной шкалы.

4.22. Подсистема аналого-цифрового преобразования МК 68HC12

В этом разделе мы рассмотрим подсистему аналого-цифрового преобразования в составе микроконтроллеров семейства 68HC12. Эту подсистему именуют модулем ATD (Analog-To-Digital). Структура модуля представлена на рис. 4.83.

Рис. 4.83. Структура модуля аналого-цифрового преобразователя ATD в составе МК 68HC12

Модуль ATD — восьмиканальный, он имеет восемь

входов AN0…AN7 для подключения аналоговых сигналов. В каждый момент времени аналоговый мультиплексор коммутирует один из восьми сигналов AN0…AN7 ко входу АЦП модуля ATD. Для преобразования аналогового сигнала в 8-разрядный цифровой код АЦП использует способ последовательного приближения. Ошибка преобразования составляет ±1 младшего разряда, т.е. ±1/256 полной шкалы преобразования: ±1/256 U_REF = ±1/256 (U_RH–U_RL).

Модуль ATD может работать как в режиме однократного преобразования, так и в режиме многократного преобразования. При однократном преобразовании модуль выполняется одно преобразование сигнала с заданным номером канала, после чего модуль ожидает следующего программного запуска. При многократном преобразовании модуль ATD ведет непрерывную оцифровку входного сигнала с заданным номером. После завершения одного преобразования немедленно автоматически запускается следующее. Третий режим работы модуля ATD — режим измерительной сессии. В этом режиме в регистры управления модуля ATD записывается последовательность номеров каналов, которые подлежат оцифровке. После поступления от программы сигнала запуска сначала оцифровывается канал с первым указанным номером. Затем аналоговый мультиплексор автоматически подключает ко входу АЦП канал со вторым запрограммированным номером. Запускается следующее преобразование. И так до окончания запрограммированной последовательности каналов.

Для управления процессом оцифровки восьми аналоговых сигналов предназначены регистры специальных функций модуля ATD, которые объединены в массив из 32 однобайтовых ячеек памяти. Диапазон измерения может варьироваться разработчиком, поскольку выводы для подключения опорных напряжений V_HL и V_RL выведены на ножки корпуса МК.

4.22.1 Структура и порядок функционирования

Модуль ATD использует линии порта AD в качестве входов AN0…AN7 для подключения измеряемых аналоговых сигналов. Обслуживание модуля ATD — альтернативная функция линий PAD0…PAD7 порта AD. Поэтому на рисунках функциональной схемы МК и модуля ATD (рис. 4.83) эти линии обозначаются AN0/PAD0… AN7/PAD7.

Аналоговые сигналы поступают на вход аналогового мультиплексора. Мультиплексор коммутирует один из аналоговых сигналов на вход АЦП последовательного приближения. Номер коммутируемого канала выбирается программно посредством установки определенных битов в регистрах специальных функций модуля ATD.

Запуск АЦП на преобразование осуществляется программной установкой бита в регистре управления ATDCTL5. После завершения преобразования полученный код загружается в один из регистров результата ADR0H…ADR7H. Номер регистра результата для каждого преобразования выбирается в соответствии с номером измеряемого канала. После завершения преобразования также устанавливаются флаги в регистре состояния ATDSTAT.

АЦП тактируется импульсной последовательностью с выхода делителя частоты f_BUS. Выводы V_RH и V_RL предназначены для подключения внешних источников прецизионного напряжения. Разность напряжений на этих входах U_RH–U_RL определяет напряжение полной шкалы преобразования модуля ATD. Если напряжение входного аналогового сигнала U_INP<=U_RL, то на выходе АЦП будет формироваться код $00. При U_INP>=U_RH, результирующий код АЦП будет равняться $FF. Формат представления кода — прямой однобайтовый беззнаковый.

При изучении модуля ATD сначала может показаться, что процесс управления аналого-цифровым преобразованием достаточно сложен и состоит из многих операций. Мы покажем Вам, что это не так, и для этого проведем аналогию между изучаемым процессом и процессом выпечки пирожных. Для выпечки пирожных (или преобразования измеряемого напряжения в код) проделайте следующие действия:

• Включите духовку (для включения модуля ATD бит ADPU в регистре ATDCTL2 следует установить в 1);

• Прогрейте духовку в течение некоторого времени (после включения ATD следует организовать задержку на 100 мкс для завершения переходных процессов в аналоговых цепях и стабилизации системы тактирования АЦП);