带嵌入式MCU的8通道12位AD转换器ADuC812及其应用

介绍了带嵌入式MCU的8通道12位A／D转换器ADuC812的结构和使用方法，及其在动平衡机测量系统中的应用。
    关键词：MCU，A／D转换器，ADuC812，动平衡机

1　引　言
　　A／D转换器的种类很多，不同的应用场合对其要求不同，有的要求高转换速率，有的要求有高精度，还有的用于便携式仪表中，需要低功耗等等。用于数据采集板的A／D转换器，一般是和计算机或微处理器结合在一起使用。随着单片机在各种智能仪器仪表中的广泛应用，出现了一些将A／D转换器和单片机内核集成在一块芯片上的数据采集芯片，ADuC812就是这样一种芯片。
　　ADuC812是8通道12位逐次逼近式A／D转换器，它具有如下特点（见Analog Devices公司的资料：MicroConverter，Multichannel 12－Bit ADC withEmbedded Flash MCU ADuC812，2002）：
　　内含8通道高精度12位A／D转换器；高达200kHz的采样转换速率；可通过DMA控制器实现由ADC到外部数据存储器之间的高速数据存储；片内还包含2个12位D／A转换器；片内包含有温度传感器；片内集成有和8051兼容的MCU内核，工作频率为12MHz，最高可达16MHz，MCU上带有3个16位定时／计数器，9个中断源，两级中断优先级；片内带8K字节的FLASH程序存储器，640字节FLASH数据存储器，以及256字节的片内RAM数据存储器，同时还可扩展16M字节外部数据存储器以及64K字节的程序存储器；低电压3V或5V供电，有节电模式；带UART和SPI串行接口；带看门狗定时器。
2　管脚说明
   ADuC812采用S－52封装，它的大部分管脚和8051相应管脚功能相同，几个主要管脚功能如下：
　　P1口：和8051的P1口功能不同，它只能作为模拟或数字信号的输入口，而不能作为输出口，缺省状态为8路模拟信号输入端，要使它们中的某位变为数字信号输入脚，应向P1口对应的特殊功能寄存器的相应位写入“0”信号，如果该特殊功能寄存器的相应位为“1”，则该位对应的管脚为模拟信号输入脚；
　　DAC0、DAC1：为两路D／A转换器的模拟信号输出脚；
　　SS、SCLK、MOSI、MISO：为串行设备接口（SPI）。
SS为SPI接口的从属设备选择，在多机通信中使用，SCLK为SPI接口时钟，MOSI以及MISO为输入／输出数据线；
　　D0、D1：和SPI接口复用的数字输出脚，通过DCON特殊功能寄存器控制从D0或D1脚输出数字信号；
T2：定时器2数字信号输入脚；
　　T2EX：数字输入脚，读取定时器2的计数器或重装该计数器的触发脚，负跳变时有效。
　　其它脚的功能和8051相应脚的功能相同。
3　使用方法
3．1　程序存储器
　　程序存储器分为片内程序存储器和片外程序存储器，片内含有8K字节的FLASH可编程程序存储器，可满足大部分数据采集系统的设计要求，该段程序存储器可以用两种方式写入，一种是通过标准的UART串行接口进行串行下载写入，当PSEN管脚通过外部电阻接地时，在上电后自动进入串行下载模式，通过串行口自动从外部开发系统中下载程序；第二种方式和E2PROM的编程方式相同，通过编程器进行并行写入。
3．2　数据存储器
　　ADuC812的用户数据存储器包含三部分，片内640字节的FLASH数据存储器、256字节的RAM以及片外可扩展到16M字节的数据存储器，其中640字节的数据存储器被分成160页，每页4字节，通过6个特殊功能寄存器来进行存取，即通过ECON、EADRL以及EDATA1～4来存取，EADRL寄存器指定要进行数据存取的页地址，ECON控制寄存器可控制EDATA1～4寄存器和EADRL指定的页内4个存储器之间进行数据交换，而ECON还可控制FLASH数据存储器的擦除、校验等操作，它的控制模式如表1所示。
 

　　外部数据存储器的寻址范围为000000H～0FFFFFFH，共有16M字节地址空间，低16位地址线的连接和8051单片机系统中的外部数据存储器的地址连接方式相同，高8位的连接方式是复用P2口，利用ALE地址锁存信号在锁存P0口的低8位地址信号的同时锁存高8位地址信号，来实现16M字节地址空间的寻址。它的数据指针和8051单片机不同，是由3个8位寄存器组成，即DPP（页字节）、DPH（高位字节）、DPL（低位字节）。
3．3　A／D转换器
　　ADuC812包含一个8通道单电源12位逐次逼近A／D转换器，A／D转换器的线性误差为±1／2 LSB，转换时间为5μs，可以提供内部2．5V参考电源，同时也可以外接从2．5V到AVDD的参考电源，通过ADCCON1～3三个特殊功能寄存器来控制A／D转换，转换结果可保存在ADCDATAH／L二个特殊功能寄存器中，转换数据的低8位保存在ADCDATAL寄存器中，而高4位保存在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高四位用来保存采样的通道号。如果采样数据较大，如以200kHz的速率对被输入的模拟信号进行连续采样，这时必须用DMA模式，将采样数据直接保存在外部数据存储器中，采样结束后再对数据进行处理。
    三个控制寄存器的功能如下。
    （1）ADCCON1控制采集和转换时间以及转换模式，各位的功能如下：
 

　　CK1、CK0选择主时钟分频系数，从主时钟分频来产生ADC时钟，CK1－0为00～11，分别按1、2、4、8分频。
　　AQ1、AQ0选择ADC采样保持时钟，分频系数从ADC时钟分频产生，AQ1－0为00～11时分别按1、2、4、8分频。
　　T2C：定时器2溢出触发位，通过置位该位，可使用定时器2的溢出信号作为ADC转换触发信号。
　　EXC：ADC转换外部触发使能位，通过置位该位，可由外部引脚（CONVST）来触发ADC转换。
    （2）ADCCON2控制通道选择和转换模式：
 

其中，ADCI为中断标志位；DMA为DMA模式使能位；CCONV为连续转换模式使能位；SCONV为单次转换模式使能位；CS3、CS2、CS1、CS0为通道选择位，用户通过程序指定须进行A／D转换的通道。CS3－0为0000～0111时指示8个通道号，1000时指示温度传感器，1111为DMA终止信号，其他情况保留。
　　（3）ADCCON3用于给出ADC状态指示位，只有第7位为BUSY位，其它位保留，BUSY位为只读位，在一个有效的ADC转换或校验周期中，该位为“1”，当转换或校验结束后，该位清“0”。
3．4　D／A转换器
　　ADuC812包含两个12位的D／A转换器，每个D／A转换器可用于转换12位或8位数据，两个D／A转换器共用一个控制寄存器DACCON，每个转换器还有两个数据寄存器，实现A／D转换的12位数据在寄存器中是右调整，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转换的模式，“1”为8位模式，“0”为12位模式；RNG1、RNG0用于输出范围控制，“1”为0～VDD，“0”为0～VREF；CLR1、CLR0为输出清除位，“0”使输出强迫为0V，“1”使输出正常；SYNC为两通道输出同步控制位，为“1”时，改写DACxL寄存器，输出即产生变化，要使两通道同步变化，须在SYNC为“0”时，更新两个通道的DACxL／H寄存器，然后使SYNC位置“1”，两通道同步更新输出值；PD1、PD0为节电模式位，“0”关闭相应通道的D／A转换，“1”打开D／A转换。
　　D／A转换器的参考电压可由DACCON控制寄存器通过软件选择VREF或VDD，使输出电压范围分别为0～VREF或0～VDD，D／A转换的响应时间小于15μs。
4　应　用
　　基于ADuC812的诸多特点，如果加上必要的外部信号调理电路，就可以构成一个完整实用的数据采集及控制系统，并且系统的硬件结构非常简单。
    图1是一个由ADuC812构成的动平衡机测量系统。
 

　　转子在旋转过程中，由于不平衡而产生离心力引起摆架系统振动，动平衡机通过传感器将此机械振动量变成电信号，然后经平面分离、衰减和定标调整、滤波放大等处理电路，最后由
指示仪表进行显示。动平衡机在平衡转子时，转子的任一平面上有不平衡量，必然要在左右两个支承上同时引起振动，振动的大小可以通过左、右两个传感器测量出来，设m1r1和m2r2为左右校正面上的不平衡量，左校正面上的单位不平衡量在左右两端引起的振动分别为αL1和αR1，右校正面上的单位不平衡量在左右两端引起的振动分别为αL2和αR2，左右两端总的振动为VL和VR，如图2所示，则有，
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式中，Δ＝αL1αR2－αR1αL2是方程组的系数行列式，如果通过分压电路，将右端的振动量取出和左端的振动量相减，则左端的不平衡量m1r1只与左端的振动VL有关，只是与左端不平衡量大小有关的一个标量，通过定标设定可以补偿它们。这样就消除了右端的不平衡量对左端的影响，同样也可以消除左端的不平衡量对右端的影响，通过信号调理电路，可完成对信号的衰减控制、平面分离、信号放大以及电平的偏置，使输出信号既包含交流的振动信号，又包含直流的偏置电平。因A／D转换电路是单电源器件，只能转换0～VREF的正电压，不能转换负电压，通过信号调理电路后的振动信号在经过相敏检波后，输出的是正的直流电压，满足A／D转换的要求。
　　经过R00和R900相敏检波，可将右端的振动信号VR在00和900方向上进行分解，设分别为VR0和VR90，而经过L00和L900相敏检波，可将左端的振动信号VL在00和900方向上进行分解，设分别为VL0和VL90，则左右两端的振动的幅值分别为：

因此，相敏检波后，得到了左右两端两个相位差为90°的分量，对它们进行A／D转换后，由MCU分别计算左右两端的幅值和相角，振动的幅值｜VL｜和｜VR｜反映了左右两端振动的大小，通过｜VL｜和｜VR｜的计算，可解算出左右两端不平衡量的大小，而振动的相位ΦL和ΦR反映了不平衡量所处的位置，相角的计算可求出不平衡量所在的相位，指示出重点或轻点的相位位置。
    转子的转速由外部中断0脚控制定时／计数器0的计时时间来实现，由8051的定时／计数器在工作方式0和方式1的结构可看出，当TCON的TR0位为1，TMOD的GATE位为1，且T0工作于定时方式时，内部振荡信号经过12分频后给T0提供时钟信号，T0计数与否与外部中断0的电平高低有关，如果INT0＝0，T0不计数，如果INT0＝1，T0开始计数，这样就可测量脉冲宽度，通过光电头将转子的转速转换成脉冲信号后再2分频，得到频率为转子旋转频率一半的方波信号，通过方波信号的高电平去控制T0的计数，该数值为转子的旋转周期，由转子的旋转周期可得到转子的转速大小。

　　转子转速及不平衡量的计算通过外部中断0完成，光电头产生的脉冲信号经2分频后，得到频率为转子旋转频率一半的方波信号，该信号加到INT0上，将外部中断0设置成边缘触发，在每个方波的下降沿产生中断，MCU读取TL0和TH0寄存器值，并将TL0和TH0清零，开始下一次计时，然后根据TL0和TH0的数值，计算转子转速，并根据TL0和TH0中转子旋转周期值的四分之一配置定时／计数器1的TL1和TH1，定时／计数器1工作于定时方式，通过定时／计数器1的中断由两路DAC产生相位差为90°两路方波信号，用于对振动信号的相敏检波，MCU对ADC0～ADC3进行A／D转换，计算左右两平面的不平衡量的大小和相位，然后将转速及不平衡量的大小和相位送8279进行显示。不平衡量测量的流程图如图3所示。该系统用于一台涡轮转子动平衡机的改造，收到了预期的效果。