C8051F020中的ADC应用要素

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C8051F020中的ADC应用要素

摘要：归纳SOC型芯片C8051F020中模数转换部分的应用要素，包括精度与通道、速率与启动、基准与增益、数据与控制，提出编程及相关SFR的操作顺序。    关键词：片上系统（SOC） A/D转换（ADC） 特殊功能寄存器（SFR）
C8051F020（简称F020）是美国德州Cygnal公司推出的一种混合信号SOC型8位单片机。它属于C8051F系列中的F02x子系列。其性能价格比在目前应用领域极具竞争力。F020具有8路12位A/D转换（简称ADC）接口和8路8位在线可编程（ISP）的ADC电路，片上的特殊功能寄存器（简称SFR）有15个与ADC的控制相关，它们是：
AMUX0SL——AMUX0通道选择寄存器，复位值为00000000；
MAX0CF——AMUX0配置寄存器，复位值为00000000；
ADC0CF——ADC0配置寄存器，复位值为11111000；
ADC0CN——ADC0控制寄存器，复位值为00000000；
ADC0H——ADC0数据字MSB寄存器，复位值为00000000；
ADC0L——ADC0数据字LSB寄存器，复位值为00000000；
ADC0GTH——ADC0下限数据高字节寄存器，复位值为11111111；
ADC0GTL——ADC0下限数据低字节寄存器，复位值为11111111；
ADC0LTH——ADC0上限数据高字节寄存器，复位值为00000000；
ADC0LTL——ADC0上限数据低字节寄存器，复位值为00000000；
AMX1SL——AMUX1通道选择寄存器，复位值为00000000；
ADC1CN——ADC1控制寄存器，复位值为00000000；
ADC1CF——ADC1配置寄存器，复位值为11111000；
ADC1——ADC1数据字寄存器，复位值为00000000；
REF0CN——基准电压控制寄存器，复位值为00000000。
ADC是混合信号控制器的重要功能，如欲在应用编程中得心应手，就必须对其相关的要素有较清晰的整体认识。
1 ADC的精度与通道
F020采用TQFP100封装，芯片引脚有8个（引脚18～25）专用于模拟输入，是8路12位ADC的输入端。每路12位的转换精度都是其自身的±1LSB（最低位）。实际上，对于12位逐次逼近寄存器型（SAR）ADC只有1个，在它与各输入端之间有1个具有9通道输入的多路选择开关（可配置模拟多路开关AMUX）。AMUX的第9通道连接温度传感器。在F020中，12位ADC称为ADC0，另有8路8位在系统可编程（ISP）的ADC电路称为ADC1。其8个外接引脚与P1口复用，片内结构与ADC0相近，只是转换的位数为8位，转换精度为8位的±1LSB。
ADC0端口的每一对均可用编程设置成为分别地单端输入或差分输入。差分输入时的端口配对为0-1、2-3、4-5、6-7，此设置由通道选择寄存器AMUX0SL的低4位和通道配置寄存器AMUX0CF的低4位确定。在AMX0CF中，位3～0各对应2个引脚通道。位值=0，表示是独立的单端输入（复位值均为单端输入）；位值=1，表示是差分输入对。对应AMX0CF选差分输入时，AMUX0SL中只有在选双数（含0）通道时才有效（注：AMUX0SL低4位为1xxx时，不论AMX0CF低4位为何值，均选温度传感器）。
将REF0CN的位3置“1”时，允许使用温度传感器；置“0”时，温度传感器的输出为高阻态。温度传感器的值可用于修正参数的非线性或记录、调整与温度相关的数据。
2 ADC的速率与启动
C8051F系列单片机中ADC的速率都是可用编程设置的，但最少要用16个系统时钟。一般在转换之前还自动加上3个系统时钟的跟踪/保持捕获时间（>1.5μs）。设置F020内ADC速率的方法是通过配置寄存器ADCxCF(x为0或1)的位7～3来进行的，其复位值为11111（位7～3=SYSCLK/CLK SAR-1）。
一般在启动ADC之前都要处于跟踪方式，控制寄存器ADCxCN的位6如果为“0”，则一直处于跟踪方式（此时启动4种启动方式都可比跟踪启动快3个系统时钟）；如为“1”，则有4种跟踪启动方式可选择，即对ADCxCN中的位3～2赋值：00为向ADBUSY写1时跟踪（软件命令）；01为定时器3溢出跟踪；10为CNVSTR上升沿跟踪（外部信号）；11为定时器2溢出跟踪。
复位时，ADCxCN的位7为0，处于关断状态。每次转换结束时，ADCxCN的位5为“1”，位4（忙标志）的下降沿触发结构中断，也可用软件查询这些状态位。
3 ADC的基准与增益
F020的片内有1个1.2V、15×10 -6/℃的带隙电压基准发生器和1个两倍增益的输出缓冲器。2.4V的基准电压（VREF）可通过外引脚分别接入ADC0、ADC1和DAC中。VREF对外带载能力为200μA（建议在驱动外部负载时，对地接1个负载电阻）。ADC使用偏置时，必须将参考源控制寄存器REFcCN中的位1置“1”；如果“0”，则关闭内部偏压，此时可通过VREF引脚（引脚12）使用外部基准电压，外部基准电压必须小于VAV±0.3V（还要大于1V）。不用ADC，也不用DAC时，可将REFxCN的位0置“0”，使缓冲放大器处于省电方式（输出为高阻态）。
设置REF0CN的位4为“0”时，ADC0用VREF偏置，为“1”时，用DAC0输出偏置；设置REF0CN的位3为“0”时，ADC1用VREF偏置，为“1”时，用AV+偏置。
在F020的ADC电路中，输入多路选择开关AMUX后面都带有1个可用编程设置增益的内部放大器（PGA）。当各模拟通道之间输入的电压信号范围差距较大时，或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分输入方式，DAC可用于提供直流偏移）显得尤为有用。设置的方式是配置ADCxCF中的位2～0（000对应PGA的增益为1；001对应为2；010对应为4；011对应为8；10x对应为16、11x对应为0.5）。这里的增益对温度传感器信号也起作用。当增益为1时，VTEMP=0.002 86(V/℃)(TEMPC) ℃+0.776V。
4 ADC的数据与控制
对应单端输入，ADC结果数据字格式为：0V——0000，VREF——0FFF或FFF0。
对应差分输入，ADC结果数据字格式为2的补码：VREF——07FF，0——0000，-VREF——F800或8000。
将ADCxCN的位0置“0”可使结果右对齐；置“1”可使结果左对齐。当差分输入时，右对齐产生的多余高位是符号扩展位。
C8051F系列单片机内还设有数据相关窗口中断发生器或称可编程窗口检测器，也叫ADC上（下）限数据寄存器ADC0G（L）TH（L），用后台方式监视一个关键电压。当转换数据位于规定的窗口之内（或之外）时，向控制器申请转换结束中断。要求在窗口之内中断时，上限寄存器LT装入高位窗口数，下限寄存器GT装入低位窗口数；若要求在窗口之外中断时，则在下限寄存器GT中装入高位窗口数，在上限寄存器LT中装入下限窗口数。
复位时，ADC部分的状态为：内部电压基准缓冲器关闭、内部偏压关闭、内部传感器关闭、ADC禁止、转换结果数据寄存器右对齐、12位的端口均为单端输入、端口指向AIN0、SAR转换33个系统时钟、内部放大器增益为1、下限数据寄存器为FFFFH、上限数据寄存器为0000H。
综合F020中与ADC相关的各要素，要想正确应用ADC功能，应按下列顺序编程：设置参考电压>设置允许ADC>设置跟踪（启动）方式>设定数据对齐>配置通道>选择通道>设置转换时钟和增益>设定窗口检测上、下限>启动转换。操作SFR的顺序（以12位为例）为：REF0CH>ADC0CN>AMX0C>AMUX0SL>ADC0CF>ADC0GTH>ADC0GTL>ADC0LTH>ADC0LTL>ADC0CN或其它启动方式。