Лекции по «Проектированию и программированию микропроцессорных систем управления»

На рисунке 5.5 показаны эквивалентные схемы входов АЦП0 для дифференциального и  однофазного режимов работы. Следует  отметить, что эквивалентная постоянная времени для обеих схем одинакова. Требуемое время установления для заданной точности установления (settling accuracy – SA) можно приблизительно определить из уравнения 5.1. При измерении выходного сигнала датчика температуры или VDD относительно GND, сопротивление RTOTAL уменьшается до величины RMUX. Требования к минимальному времени установления (время выборки/хранения) для АЦП0 приведены в таблице 5.1.

Уравнение 5.1. Время установления сигнала АЦП0

t = ln(2n/SA) × RTOTALCSAMPLE

где: SA – точность установления, задаваемая в долях МЗР (например, 0.25 для установления в пределах ¼ МЗР).

t – требуемое время установления в секундах.

RTOTAL – сумма входного сопротивления мультиплексора AMUX0 и сопротивления внешнего источника сигнала.

n - разрешение АЦП в битах (10).

 

Рисунок 5.5. Эквивалентные  схемы входов АЦП0

Дифференциальный  режим    Однофазный режим

Выбор канала                     Выбор канала

Мультиплексора                      мультиплексора

 

5.3.3.Описание SFR регистров АЦП0

 

SFR-описание 5.1. AMX0P: Регистр выбора положительного канала AMUX0

SFR-адрес: 0xBB

Биты 7-5: Не используются: читаются как 000b. Запись не оказывает никакого влияния.

Биты 4-0: AMX0P4-0: Биты выбора положительного входа AMUX0.

 

SFR-описание 5.2. AMX0N: Регистр выбора отрицательного канала AMUX0

SFR-адрес: 0xBA

Биты 7-5: Не используются: читаются как 000b. Запись не оказывает никакого влияния.

Биты 4-0: AMX0N4-0: Биты выбора отрицательного входа AMUX0.

Следует иметь  ввиду, что если в качестве отрицательного входа выбрано GND, то АЦП0 работает в

однофазном  режиме. Во всех других случаях АЦП0 работает в дифференциальном режиме.

 

SFR-описание 5.3. ADC0CF: Регистр конфигурации АЦП0

SFR-адрес: 0xBC

Биты 7-3: AD0SC4-0: Биты установки периода сигнала дискретизации АЦП0.

Частота сигнала  дискретизации АЦП0 определяется частотой системного тактового сигнала в  соответствии со следующим уравнением:

AD0SC = (SYSCLK/CLKSAR) – 1,

где AD0SC – 5-разрядное  значение, задаваемое битами AD0SC4-0;

CLKSAR – необходимая частота сигнала дискретизации АЦП0.

Максимальное  значение частоты дискретизации  АЦП0 приведено в таблице 5.1.

Бит 2: AD0LJST: Бит  выравнивания результата преобразования

0: Данные в  регистровой паре ADC0H:ADC0L выровнены  вправо.

1: Данные в  регистровой паре ADC0H:ADC0L выровнены влево.

Биты 1-0: Не используются: читаются как 00b. Запись не оказывает никакого влияния.

 

 

SFR-описание 5.4. ADC0H: Регистр старшего байта слова  данных АЦП0

SFR-адрес: 0xBE

Биты 7-0: Старшие  биты слова данных АЦП0.

Для AD0LJST = 0: Биты 7-2 являются знаковым расширением бита 1. Биты 1-0 представляют собой старшие 2 бита 10-разрядного слова данных АЦП0. Для AD0LJST = 1: Биты 7-0 являются старшими 8 битами 10-разрядного слова данных АЦП0.

 

 

SFR-описание 5.5. ADC0L: Регистр младшего байта слова данных АЦП0

SFR-адрес: 0xBD

Биты 7-0: Младшие  биты слова данных АЦП0

Для AD0LJST = 0: Биты 7-0 являются младшими 8 битами 10-разрядного слова данных АЦП0.

Для AD0LJST = 1: Биты 7-6 представляют собой младшие 2 бита 10-разрядного слова данных

АЦП0. Биты 5-0 всегда читаются как ‘0’.

 

 

SFR-описание 5.6. ADC0CN: Регистр  управления АЦП0

SFR-адрес: 0xE8

(доступен в  битовом режиме адресации)

Bit7: AD0EN: Бит включения  АЦП0.

0: АЦП0 отключен. АЦП0 находится в режиме пониженного  энергопотребления.

1: АЦП0 включен. АЦП0 находится в активном режиме и готов к преобразованию данных.

Бит 6: AD0TM: Бит  установки режима слежения (выборки-хранения) АЦП0.

0: Нормальный  режим: Когда АЦП0 включен, слежение  осуществляется всегда, за исключением 

момента преобразования.

1: Энергосберегающий  режим: Режим слежения определяется  битами AD0CM2-0 (см. ниже).

Бит 5: AD0INT: Флаг прерывания от АЦП0 (устанавливается  при завершении преобразования).

0: АЦП0 не  закончил преобразование данных (с момента последнего обнуления  этого флага).

1: АЦП0 закончил  преобразование данных.

Бит 4: AD0BUSY: Бит  занятости АЦП0.

Чтение:

0: Преобразование  данных завершено или в данный  момент преобразование не осуществляется.

При аппаратном обнулении этого бита флаг AD0INT устанавливается  в 1.

1: Идет процесс преобразования данных.

Запись

0: Не оказывает  никакого влияния.

1: Инициирует  запуск преобразования АЦП0, если  биты AD0CM2-0 = 000b.

Бит 3: AD0WINT: Флаг прерывания от детектора диапазона  АЦП0.

0: Преобразованные  данные не соответствуют заданному  диапазону (с момента последнего

обнуления этого  флага).

1: Преобразованные  данные соответствуют заданному  диапазону.

Биты 2-0: AD0CM2-0: Биты выбора режима запуска преобразования АЦП0.

    Если AD0TM = 0:

000: Запуск преобразования  осуществляется установкой в 1 бита AD0BUSY.

001: Запуск преобразования  осуществляется при переполнении  Таймера 0.

010: Запуск преобразования  осуществляется при переполнении  Таймера 2.

011: Запуск преобразования  осуществляется при переполнении  Таймера 1.

100: Запуск преобразования  осуществляется нарастающим фронтом внешнего сигнала CNVSTR.

101: Запуск преобразования  осуществляется при переполнении  Таймера 3.

11х: Зарезервировано.

    Если AD0TM = 1:

000: слежение (выборка)  начинается в момент установки  в 1 бита AD0BUSY и длится 3 периода

сигнала дискретизации  АЦП0, затем начинается преобразование данных.

001: слежение (выборка)  начинается при переполнении  Таймера 0 и длится 3 периода сигнала

дискретизации АЦП0, затем начинается преобразование данных.

010: слежение (выборка)  начинается при переполнении Таймера 2 и длится 3 периода сигнала

дискретизации АЦП0, затем начинается преобразование данных.

011: слежение (выборка)  начинается при переполнении  Таймера 1 и длится 3 периода сигнала

дискретизации АЦП0, затем начинается преобразование данных.

100: слежение (выборка)  происходит лишь при низком  уровне сигнала на входе CNVSTR;

преобразование  запускается нарастающим фронтом  сигнала на входе CNVSTR.

101: слежение (выборка)  начинается при переполнении  Таймера 3 и длится 3 периода сигнала

дискретизации АЦП0; затем начинается преобразование данных.

11х: Зарезервировано.

 

5.4. Программируемый детектор  диапазона АЦП0

Программируемый детектор диапазона  АЦП0 постоянно проверяет результаты преобразований АЦП0 на соответствие заданному  пользователем диапазону значений и уведомляет систему при обнаружении несоответствия. Это особенно эффективно в управляемых прерываниями системах, т.к. позволяет уменьшить объем кода и улучшить производительность при одновременном уменьшении времени реакции системы. Флаг прерывания от детектора диапазона (бит AD0WINT в регистре ADC0CN) можно использовать также в режиме программного опроса. Старшие и младшие байты граничных значений загружаются в регистры нижней (ADC0GTH, ADC0GTL) и верхней (ADC0LTH и ADC0LTL) границ диапазона АЦП0. Следует отметить, что флаг прерывания от детектора диапазона может устанавливаться как при попадании, так и при непопадании результата преобразования в заданный диапазон, в зависимости от значений, записанных в регистры ADC0GTx и ADC0LTx.

 

SFR-описание 5.7. ADC0GTH: Регистр старшего байта нижней границы диапазона АЦП0

SFR-адрес: 0xC4

Биты 7-0: Старший  байт нижней границы диапазона АЦП0.

 

SFR-описание 5.8. ADC0GTL: Регистр младшего байта нижней  границы диапазона АЦП0

SFR-адрес: 0xC3

Биты 7-0: Младший байт нижней границы диапазона АЦП0.

 

 

SFR-описание 5.9. ADC0LTH: Регистр старшего байта верхней  границы диапазона АЦП0

SFR-адрес: 0xC6

Биты 7-0: Старший  байт верхней границы диапазона  АЦП0.

 

SFR-описание 5.10. ADC0LTL: Регистр младшего байта верхней границы диапазона АЦП0

SFR-адрес: 0xC5

Биты 7-0: Младший  байт верхней границы диапазона  АЦП0.

 

 

 

5.4.1. Детектор  диапазона в однофазном режиме.

На рисунке 5.6 показаны два примера  использования детектора диапазона  при измерении однофазного входного сигнала и выравнивании результата преобразования вправо (ADC0LTH:ADC0LTL = 0x0080 (128d) и ADC0GTH:ADC0GTL = 0x0040 (64d)). В однофазном режиме напряжение входного сигнала может быть от 0 до VREF × (1023/1024) относительно GND, а результат преобразования представлен в виде 10-разрядного целого числа без знака. На примере слева прерывание от флага AD0WINT будет генерироваться в том случае, если результат  преобразования АЦП0 (ADC0H:ADC0L) попадает в диапазон, определяемый значениями регистров ADC0GTH:ADC0GTL и ADC0LTH:ADC0LTL (т.е. если 0х0040 < ADC0H:ADC0L < 0х0080). На примере справа  прерывание от флага AD0WINT будет генерироваться в том случае, если результат преобразования АЦП0 (ADC0H:ADC0L) не попадает в диапазон, определяемый значениями регистров ADC0GTH:ADC0GTL и ADC0LTH:ADC0LTL (т.е. если ADC0H:ADC0L < 0х0040 или ADC0H:ADC0L > 0х0080). На рисунке 5.7 показан пример использования детектора диапазона с такими же значениями регистров границ диапазона при измерении однофазного входного сигнала и выравнивании результата преобразования влево.

Рисунок 5.6. Пример использования детектора диапазона 10-разрядного АЦП0

(данные выровнены  вправо, вход однофазный)

 

Рисунок 5.7. Пример использования детектора диапазона 10-разрядного АЦП0

(данные выровнены  влево, вход однофазный)

 

5.4.2. Детектор  диапазона в дифференциальном  режиме.

На рисунке 5.8 показаны два примера  использования детектора диапазона  при измерении дифференциального  входного сигнала и выравнивании результата преобразования вправо (ADC0LTH:ADC0LTL = 0x0040 (+64d) и ADC0GTH:ADC0GTL = 0xFFFF (-1d)). В дифференциальном режиме измеряемое напряжение между дифференциальными входами АЦП может быть от .VREF до VREF × (511/512). Результат преобразования представлен в дополнительном коде в виде 10-разрядного целого числа со знаком. На примере слева прерывание от флага AD0WINT будет генерироваться в том случае, если результат преобразования АЦП0 (ADC0H:ADC0L) попадает в диапазон, определяемый значениями регистров ADC0GTH:ADC0GTL и ADC0LTH:ADC0LTL (т.е. если 0xFFFF (-1d) < ADC0H:ADC0L < 0x0040 (+64d)). На примере справа прерывание от флага AD0WINT будет генерироваться в том случае, если результат преобразования АЦП0 (ADC0H:ADC0L) не попадает в диапазон, определяемый значениями регистров ADC0GTH:ADC0GTL и ADC0LTH:ADC0LTL (т.е. если ADC0H:ADC0L < 0xFFFF (-1d) или ADC0H:ADC0L > 0x0040 (+64d)). На рисунке 5.9 показан пример использования детектора диапазона с такими же значениями регистров границ диапазона при измерении дифференциального входного сигнала и выравнивании результата преобразования влево.

 

 

Рисунок 5.8. Пример использования детектора диапазона 10-разрядного АЦП0

(данные выровнены  вправо, вход дифференциальный)

 

Таблица 5.1. Электрические  характеристики АЦП0

VDD = 3.0В, VREF = 2.4В (REFSL = 0), Т = – 40 ºС … +85 ºС, если не указано иное (н/д – нет данных).

 

6. Источник опорного  напряжения 

В качестве опорного напряжения в МК C8051F310 можно использовать либо напряжение от внешнего источника, подаваемое через вывод VREF, либо напряжение питания VDD (см. рисунок 6.1). Выбор источника опорного напряжения (ИОН) осуществляется с помощью бита REFSL регистра управления REF0CN. Для выбора внешнего ИОН бит REFSL следует сбросить в 0; для выбора напряжения питания VDD в качестве опорного напряжения бит REFSL следует установить в 1.

Бит BIASE включает внутренний генератор  напряжения смещения, который необходим  для работы АЦП, датчика температуры, внутренних тактовых генераторов и  ЦАП. Этот генератор напряжения смещения автоматически включается при включении  любого из вышеупомянутых модулей. Генератор напряжения смещения можно также включить вручную: для этого необходимо установить в 1 бит BIASE в регистре REF0CN (подробное описание регистра REF0CN приведено в SFR-описании 6.1). Электрические параметры схемы ИОН приведены в таблице 6.1.

Важное замечание относительно использования вывода VREF: Вывод порта Р0.0 в МК C8051F310 и вывод порта Р0.0 в МК C8051F310 используются как вход внешнего опорного напряжения VREF и как выход внутреннего опорного напряжения VREF. В любом случае этот вывод должен быть настроен как аналоговый вход и должен пропускаться матрицей при назначении выводов. Чтобы настроить Р0.0 как аналоговый вход, следует сбросить в 0 соответствующий бит в регистре P0MDIN. Чтобы заставить матрицу пропускать вывод VREF при назначении выводов, следует установить в 1 соответствующий бит в регистре P0SKIP. Подробная информация о настройке портов ввода/вывода приведена в разделе «17. Порты ввода/вывода» на стр. 189. Бит TEMPE в регистре REF0CN включает/отключает датчик температуры. Если датчик температуры отключен, то он по умолчанию переводится в высокоимпедансное состояние. Любые аналого-цифровые измерения (посредством АЦП0) показаний отключенного датчика температуры возвратят незначащие данные.

 

Рисунок 6.1. Структурная схема ИОН

 

 

 

SFR-описание 6.1. REF0CN: Регистр управления  ИОН

SFR-адрес: 0xD1

Биты 7-4: Не используются. Читаются как 0000b. Запись не оказывает  никакого влияния.

Бит 3: REFSL: Бит выбора источника  опорного напряжения.

С помощью этого бита осуществляется выбор источника опорного напряжения.

0: В качестве опорного  напряжения используется напряжение  с внешнего вывода VREF.

1: В качестве опорного  напряжения используется напряжение  питания VDD.

Бит 2: TEMPE: Бит включения  датчика температуры.