1 引言

隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，單片機(jī)的性能也大大增強(qiáng)。本文介紹Silicon Labs公司的8位單片機(jī)C8051F001系列，該系列器件內(nèi)部集成了A／D轉(zhuǎn)換器，這給測(cè)量模擬信號(hào)帶來(lái)了極大方便。利用單片機(jī)自身的PWM口可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)數(shù)字系統(tǒng)的控制，提高了控制，大大簡(jiǎn)化了電路，符合小型化和低功耗的設(shè)計(jì)要求。

2 ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

C8051F001／2／5／6／7系列自帶一個(gè)9通道的可配置模擬開(kāi)關(guān)(AMUX)，一個(gè)可編程增益放大器(PGA)和一個(gè)100 kS／s，12位分辨率的逐次逼近型ADC，ADC還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX、PGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換方式和窗口檢測(cè)器都可通過(guò)軟件對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬多路開(kāi)關(guān)AMUX中的8個(gè)通道用于外部測(cè)量，第9通道內(nèi)部接至片內(nèi)溫度傳感器。采樣的模擬量由多路開(kāi)關(guān)配置后進(jìn)入可編程放大器。值得注意的是，PGA的增益對(duì)溫度傳感器也起作用。PGA增益可以用軟件編程為0.5、1、2、4、8或16，復(fù)位時(shí)的默認(rèn)增益為1。可以對(duì)AMUX編程為工作在差分方式或單端方式。系統(tǒng)復(fù)位后AMUX的默認(rèn)方式為單端輸入。ADC功能框圖如1所示。

3 ADC工作原理

從外圍設(shè)備中采集出來(lái)的模擬量被選通后，由采樣和保持電路通過(guò)PGA增益放大，經(jīng)過(guò)一個(gè)12位的逐次逼近寄存器(SAR)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，具體過(guò)程是將二進(jìn)制規(guī)則變化的參考電壓逐次與模擬輸入電壓作比較，以尋找一個(gè)與輸入電壓接近的參考電壓，在逐次逼近寄存器(SAR)中獲得12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4 初始化設(shè)置

設(shè)置寄存器REF0CNR的0位選擇是否應(yīng)用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)緩沖器，設(shè)置AMUX配置寄存器A-MUX0CF以選擇模擬端口的輸入方式。通道選擇寄存器AMUX0SL的低3位用于選擇0～7個(gè)通道或者溫度傳感器(AMXAD0)，配置寄存器ADC0CF用來(lái)設(shè)置SAR轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和ADC內(nèi)部放大增益?？刂萍拇嫫鰽DCOCN用于設(shè)置ADC啟動(dòng)方式、ADC窗口比較中斷及ADCOH和ADCOL的對(duì)齊方式。將ADCEN置1，使能ADC，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。寄存器ADCOCN的內(nèi)容如圖2所示。

5 ADC的啟動(dòng)方式

A／D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方式有4種，由ADC0CN的ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換方式選擇位(ADSTM1，ADSTM0)的狀態(tài)決定。轉(zhuǎn)換觸發(fā)源有：

1) 寫(xiě)1到ADC0CN的ADBUSY位；

2) 定時(shí)器3溢出(即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換)；

3) 外部ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)的上升沿，CNVSTR；

4) 定時(shí)器2溢出(即定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換)。

向ADBUSY寫(xiě)1方式提供在需要時(shí)用軟件控制ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的性能。ADBUSY位在轉(zhuǎn)換期間置1，轉(zhuǎn)換結(jié)束后復(fù)0。ADBUSY位的下降沿觸發(fā)一個(gè)中斷(當(dāng)被允許時(shí))并置1中斷標(biāo)志ADCINT。注意：當(dāng)轉(zhuǎn)換是由軟件(on-demand)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)查詢ADCINT標(biāo)志(而不是ADBUSY)判斷轉(zhuǎn)換何時(shí)結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在ADC數(shù)據(jù)字的MSB和LSB寄存器：ADC0H和ADC0L中。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)在寄存器對(duì)ADC0H：ADC0L中的存儲(chǔ)方式可以是左對(duì)齊或右對(duì)齊，由ADC0CN寄存器中ADLJST位的編程狀態(tài)決定。

6 ADC可編程窗口檢測(cè)器

8051中的ADC可編程窗口檢測(cè)器非常有用。它不停地將ADC輸出與用戶編程的限制量進(jìn)行比較，并在檢查到越限條件時(shí)通知系統(tǒng)控制器，這在中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中尤其有效，既可以節(jié)省代碼空間和CPU帶寬，又能提供快速響應(yīng)時(shí)間。窗口檢測(cè)器中斷標(biāo)志(ADCOCN中的ADWINT位)也可被用于查詢方式。參考字的高字節(jié)和低字節(jié)被裝入到ADC下限(大于)和ADC上限(小于)寄存器(ADC0GTH、ADC0GTL、ADC0LTH和ADC0LTL)。注意，窗口檢測(cè)器標(biāo)志即可以在測(cè)量數(shù)據(jù)位于用戶編程的極限值以內(nèi)時(shí)有效，也可以在測(cè)量數(shù)據(jù)位于用戶編程的極限值以外時(shí)有效，這些全部取決于ADC0GTx和ADC0LTx的編程值。

7 實(shí)際應(yīng)用

圖3是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與單片機(jī)的接口電路。在該系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)口產(chǎn)生PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在直流電機(jī)的軸上安裝直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，用來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出是模擬量，所以必須經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字測(cè)速信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)將測(cè)速信號(hào)和給定的PWM信號(hào)進(jìn)行比較，用于加速或減速。從而形成電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

該電路采用了C8051005單片機(jī)。用模擬通道0采集信號(hào)，采用2.4 V內(nèi)部參考電壓，模擬輸入端具有限流和限壓保護(hù)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)要與被測(cè)電機(jī)同軸，兩者以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓必須經(jīng)過(guò)RC濾波處理后才能得到穩(wěn)定的直流電壓。R1為限壓電阻，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的位置使測(cè)速電機(jī)達(dá)到轉(zhuǎn)速時(shí)，滑變抽頭采樣得到的電壓為2.4 V。通過(guò)脈寬調(diào)制PWM控制開(kāi)關(guān)管工作的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，12 V電壓加在電動(dòng)機(jī)兩端，時(shí)間為t1；柵極輸入低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)兩端電壓為0，時(shí)間為t2?？傻玫秸伎毡萢=t1／(t1+t2)。在t2時(shí)段內(nèi)，電源斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電感通過(guò)二極管D1釋放電能，D1起到續(xù)流作用。

圖4為產(chǎn)生PWM波的程序圖，圖5為調(diào)速子程序的流程圖。

CA生成PWM波主要是調(diào)節(jié)PCA0CPH0的值改變PWM波的占空比a=[256-(PCA0CPH0)]／256。下面是調(diào)速子程序，設(shè)電機(jī)給定值存放在50H單元中。

8.1 信號(hào)處理

C8051F內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的范圍為AGND～AV±0.3 V，任意引腳在任何情況下(不論ADC或PGA的設(shè)置如何)必須使其輸入電壓保持在AGND和AV+之間，如果測(cè)試的模擬輸入電壓范圍為0～5 V，必須使信號(hào)衰減才能輸入ADC引腳。這里用到8051內(nèi)部的PGA(可編程增益放大器)。如果選用放大倍數(shù)為0.5倍，那么信號(hào)將衰減一半。如使用外部1.25 V參考電壓，PGA增益GAIN為0.5，允許的電壓輸入范圍是0 V～2.5 V，AIN電壓還必須在AGND和VREF／GAIN之間。假設(shè)一個(gè)12位的ADC，AINx引腳的輸人電壓小于AGND，結(jié)果將是0x000；如果輸入電壓大于(VREF／GAIN)，結(jié)果將是0xFFF。

要注意的是，PGA不會(huì)改變信號(hào)的輸入范圍。同樣當(dāng)使用外部VREF時(shí)，也要求VREF的值比AV+小300 mV，建議采用MAX873作為外部基準(zhǔn)電壓源。

8.2 抗擾處理

C8051F的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果一般很準(zhǔn)確，但如果A／D轉(zhuǎn)換后測(cè)得的數(shù)據(jù)跳變很大，那么很有可能是輸入信號(hào)中有干擾脈沖，需要加抗擾處理：

1) 將模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)，電源之間的電壓差必須滿足數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)定 D <0.5 V。

2) 將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，不能混用。注意一定要在遠(yuǎn)離CPU處(或電源處)通過(guò)導(dǎo)線連接，否則會(huì)在CPU的模擬地和數(shù)字地引腳之間產(chǎn)生電勢(shì)差，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至死機(jī)現(xiàn)象。

3) 沒(méi)有用到的模擬引腳要接模擬地。

4) 在VREF引腳接0.1μF和4.7μF電容，用于濾波和抑制噪聲。

5) 模擬信號(hào)的輸入電壓不能超過(guò)AV+-0.3 V，為保證模擬輸入引腳不被高電平損傷，要采取保護(hù)措施，如加入穩(wěn)壓二極管MBR360等。另外為防止模擬輸入通過(guò)大的電流，還要在模擬引腳和模擬地之間加一只1μF的電容。