PSoC的ADC用户模块及其调用方法.pdf

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1、P S o C的 A D C用户模块及其调用方法 一3 1 一 应 用 与 设 计 P S o C的A D C用户模块及其调 用方 法 翁小平(赛普拉斯半导体公司上海办事处，上海 2 0 0 0 2 0)摘要：介绍了 8 位片上可编程 系统 P S o C所提供的 A D C用户模块，包括它的几种类型、参考电压的 选择、增量型 A D C和 一,A D C的工作原理、A D C模块的参数选择和 A D C模块 A P I 函数的调用。关键词：P S o C；增量型 A D转换器；一 A D转换器；S C模拟模块；C T模拟模块 分类号：T P 7 9 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0

2、6 6 9 7 7(2 0 0 5)0 6 0 0 3 1 0 4 ADC u s e r mo d u l e s o f PS o C a n d me t h od o f c al l i n g i t W E NG Xi a o-p i n g r S h a n g h a i O f fi c e o fC y p r e s s S e m o n d u c t o r C o r p，S hanghai 2 0 0 0 2 0，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e a r t i c l e i n t r o d u c e ADC u s e

3、r mo d u l e s o f P S o C，i n c l u d i n g i t s t y p e s，sel e c t i n g r e f e r e n c e v o l t a g e，r u n-n i n g p r i n c i p l e o f i n c reme n t a l AD C a n d一ADC，p a r a me t e r s e l e c t i n g o f ADC s and c a l l i n g i ts A PI f u n c t i o n Ke y w o r d s：P S o C，i i n c r

4、eme n t a l ADC；一 ADC；S C ana l o g modu l e；C T a n a l o g mo d u l e P S o C是 C y p r e s s 半导体公司生产的片上可编程 系统芯片(P r o g r a m m a b le S y s t e m o n C h ip)。除具有一般 M C U所具备的数字处理功能外，不同系列的 P S o C芯 片内部还集成了一定数量(3、6、1 2)的模拟模块以及 相关的模拟总线、比较总线和模拟缓冲器。其中模拟 模块又有两种类型：连续模拟模块(C T模块)和开关 电容模拟模块(S C 模块)。通过 P S o

5、 C集成开发环境 D e s i g n e r 的设置或程序软件的控制，可以配置和调用 P S o C的模拟模块，从而在片同时实现诸多模拟功能，如：可编程放大器、仪表放大器、可编程比较器、滤波 器、调制器、解调器和模拟多工器等。此外，结合 P S o C 的数字模块还可以实现模数转换、数模转换和 D T M F 拨号器等数模相关功能。由于 P S o C的模拟模块和数 字模块均采用模块化设计，因此，用户可以高度灵活 地应用这些高度集成化的系统功能块。但同时也给用 户用好这些模块带来了一定的难度，也就是说，对用 户提出了更高的要求。本文着重介绍 P S o C集成开发 环境 D es i gn

6、e r 所提供的采用 S C模拟模块与数字模块 相结合而构成的 A D C模块及其使用方法。l P S 0 C的 A D C模块 P S o C集成开发环境 D es i gne r 提供 7 种不同类型 的 A D转换器模块可供用户选择。这 7 种 A D模块以 及它们所使用的数字模块和模拟模块数、A P I 函数 所占用的存储器资源、分辨率、转换速率以及输入时 钟频率见表 1 所列。在表 1 中，A D C I N C 1 2 和 A D C I N C 1 4 分别是 1 2 位 和 1 4 位分辨率的增量型 A D转换器，A D C I N C V R是 使用 P S o C 模块数

7、A P I 占用存储器资,(b y t e s)分辨率 转换速率 输入时钟频率 A D C模块 数字模块 模拟 S C 模块 F L A S H R A M (b i t s)(s p s)(MH z)ADC1 NC1 2 2 1 2 0 9 6 1 2 7 84 8 0 0 1 28 ADCI NC1 4 4 1 2 6 2 6 1 4 26 0 0 1 2 58 ADCI NCVR 3 1 3 0 9 5 71 3 1 0 k4 0 1 2 58 DEL S I G8 1 1 2 1 4 3 8 8 1 2 53 2 k 0 0 3 28 DELS I G1 1 1 1 2 2 0 8 1

8、 2 1 1 1 2 57 8 k 0 0 3 28 DUALADC 4 2 4 5 5 8 7 1 3 1 0k4 0 1 2 58 S AR6 0 1 5 8 0 6 5k5 O k 0 0 3 20 3 3 维普资讯 http:/ 一3 2一 国外 电子元器g t)2 0 0 5 年第 6 期 2 0 0 5 年 6月 7 1 3 位可变分辨率增量型 A D转换 器，D E L S I G 8 和 D E L S I G 1 1 分别是 8 位 和 1 1 位分辨率的 一 型 A D转换 器，D U A I_ A D C是双 7 1 3 位可变分辨 率、增量型 A D转换器(该器件可用于

9、 同时转换两路 A D信号)，S A R 6 是 6 位分辨率的逐次 比较型 A D转换器。从表 1 中可以看到，这些转换模块的 最大转换速率与分辨率 的大小成反 比。需要说明的是，在分辨率相同的 情况下，一 型 A D转换器的转换速 率要 比增量型 A D转换器更快。而一旦选定某个 A D C模块，它的转换速率的大小与输人的时钟频率 成正比。输人时钟频率可以在 D e s ig n e r 中的 D e v i c e E d i to r 环境下进行设定。D E L S I G 8和 D E L S I G 1 1 可以 分别选择一个或两个 s C模拟模块，选择两个 s C模 拟模块 比选

10、择一个具有更高的信噪比。由于 P S o C的 A D转换器属于快速积分 比较 型 A D C，它有两个参考 电压 一和+，+与 一之差可用于决定 A D转换的输人电压范围和它 的有效分辨率。P s o C为用户提供了多种参考电压选 择。图1 给出了V 甜为 5、，和 3 3 V情况下的几种可选 参考电压的示意图。其中V B G 称为B a n d g a p电压，它的 值为1 3 V，具有较高的精度。需要注意的是，P S o C内 部的模拟地 A G N D是电源电压 v 甜 的二分之一，即当 V d d 是5、，时，A G N D为 2 5 V；V d d 是 3 3 V时，A G N D

11、为 1 6 5 V。参考电压的选择可依据输人电压进行 A D转 换的有效范围和希望达到的最大分辨率来确定。J-一1 V d d 2 V d d 2 V d d 2 +-+-+|一 V B G V d d 2 P 2 6 P 2 4 V d d 2 V d d 2 1 6，V B 6 +|一 +|一 +|一 +|一 P 2 6 V B G V d d 2 1 6 V B 6 图 1 V 酣为 5 v和 3 3 V情况下的几种可选参考 电压示意图 图 2 1 2 位增量型 A D转换器的简化原理图 2 A D C模块的工作原理 除了 S A R 6以外，P S o C中的 A D C模块从 A D

12、转换 的原理上可分为两种类 型：增量型 A D转换器和 一型 A D转换器。图 2 是 1 2 位增量型 A D转换器 的简化原理图。它由模拟开关电容 s C模块和 8 位定 时器与计数器各一个组成。s C模块的倍频器可对数 据时钟信号进行 4 倍频 以产生 西1 和 西2 时序。在 西1 阶段，S C模块通过输人电容对输人信号 V i n 进 行采样。在 西 2 阶段，积分电容对采样电压进行积 分。当积分器的输出送到零位 比较器后，比较器的 比较结果便可用于控制二选一多工器以决定哪一个 参考电压被送到积分器的输人端与被采样的输人信 号进行相加。如果比较器输出为低，则负的参考电压 R e f

13、一被选择，反之则正的参考电压 R e f+被选择。对 于一个 1 2 位分辨率的 A D转换来说，这个过程要被 实施 2 心 个数据时钟，即 4 0 9 6 次。这种 比较反馈控制 机制试图不断将积分器的输出拉到零电位。由于比 较器的输出同时被接到计数器，因此，在 2 心 次比较 中，如果有 n次选择的是正参考电压，则 n与输人电 压、参考电压 存在下面的关系：V re s id=2 2 V i 一 +(2 一 )其 中，蒯 是转换结束 时积分器 的输 出残 留 电。上 式还可以表示为：+对于上式，由于 总是小于 第二项总是 小于半个 L S B，可以忽略。所以有：Vi n-维普资讯 http

14、:/ P S o C的 A D C用户模块及其调用方法 一3 3 一 V i I1 R e f+R e f A n a 1 o g C o 1 u m n C o m p a r a t o r B u s 时钟源 A n a1 o g C o 1 u m n C 1 O C k 过需要注意的是，由于 一 型 A D C抽 样滤波器的过滤长度横跨两个输 出，对 第 n次 A D C转换值的计算不仅需要 n 次 抽样值，而且需要 n 一1 次和 n 一2 次的 抽样值来共同参加运算。因此，在每次启 抽 r L 动 一 型A D C 时，它的 第 一和 第 二次 生 的转换值是无效的，从第三次以后

15、的转 l 换值才有效。8 位 l I 定 时 器 r 3 A D C 模块的参数选择 图 3 8 位 一 型 A D转换器的简化原理图 即：，l：2 04 8一Vi+2 0 4 8 y 由上式可见，n与输入电压一一对应。当 等 于一 时，n 是 0；等于 时，n 是 4 O 9 6。图 3是 8位 一型 A D转换器 的简化 原理 图。这种转换器与增量型A D转换器的构造大致相 同，不同的是比较器的输出不再是计数器，而是一个 抽样器。可以将 S C模块分为 4 个小块以构成 一 型 A D C里的四要素。S C模块的输入部分可以认为 是一个差分器()，而运放和积分电容则可作为积 分器()，比较

16、器是一个一位 A D，而二选一多工器 则是一个一位D A。A一型A D C里的抽样器实际上 是一个 S I N C 滤波器。在 z 域，它的传递函数为：盹)：】其中的 是抽样等级，对于 8 位分辨率的A D，等于 8。这个抽样滤波器是由硬件和软件共 同实 施完成的。上式中分母部分的二次积分项由硬件实 施，而分子部分的二次差分项的抽样率计算则由软 件实现。它的转换结果与增量型 A D转换器类似，当 分辨率为 8 位时有：，l：+1 2 8 y 由于使用了抽样滤波器，因此 一 型 A D转换 器的转换速度要大于增量型 A D转换器，对于一个 8 位分辨率的一 型A D C来说，在连续转换过程中，每

17、一次转换仅需要 6 4 个数据时钟周期。而对于 8 位 增量型 A D C来说，却需要 2 5 6 个数据时钟周期。不 现 以 8位 一型 A D C为例说 明 A D C模块的参数选择方法。3 1 输入信号多路器(I n p u t S i s n M u l t ip l e x e r)该选项可以选择输入到 A D C模块的信号源。它 可以是邻近模块的输出或者是某个 I 0口。通常将 其连到同一列的 C T模块，该模块被构造成可编程 运放，其输入信号由 I 0口经输人多工器到运放，再 由运放输出到 A D C的输入。这样连接的优点是便于 多路 A D信号被同一 A D C模块所采样。3

18、2 时钟定相(C l o c k P h a s e)当 A D C模块与其它模块相连时，该选项用于两 相时钟(1、2)的同步。如果 A D C模块未与其它 S C 模块相连，设计时选正常(N o r m)模式即可。3 3数据时钟(D a ta C l o c k)数据时钟用于决定采样速率。在A D C模块中，它的数字模块和模拟模块必须使用相 同的数据 时 钟，否则不能正常工作。由于每次 2 5 6 个数据时钟到 来时，定时器都要产生中断，所以，采样速率 S a m-p l e R a te为数据时钟 的 1 2 5 6，即如果采样速率为 2 0 k s p s，则数据时钟 D a t a C

19、 l o c k 应为 5 1 2 M H z。C P U的占用也与数据时钟有关，因为每次中断 C P U要花费 1 9 0 个 C P U时钟来计算 A D的值，因此，C P U的时钟为 2 4 M H z 时，C P U的占用率 C P U O v e r h e a d 将为：C P UOv e r h e a d=1 9 0 X 2 0 k s p s 2 4 MI-I z=1 5 8 3 4 轮询(P o l l i n g)轮询有 E n a b l e 和 D i s a b le两个选项。由于 8 位 一型 A D C一次转换的时间可以小到 3 0 tt s，因此，如何快速 而

20、又连续地得 到 A D转换值便与轮询有 关。转换速度要求不高时，可选择 E n a b l e，并在主程 序 中直接调用 A D转换的 A P I 函数，待 A D转换完成 后得到 A D C的值；如果转换速度要求较高，则应选 维普资讯 http:/ 一3 4 一 国外 电子元器)2 o o 5 年第 6 期 2 0 0 5 年 6月 择 D i s a b le，此时可将得到 A D转换值的程序写进由 系统提供的中断服务程序 d e l s i g 8 I N T a s m中，这样可 通过缩短等待时间来减少对 C P U的占用。3 5 中断分派方式(I n tD i s p a t c h

21、 M o d e)当同一个模拟列中有多个模拟模块在不同的层 面上共享某个 中断时，可用中断分派方式来处理中 断请求。选择“A c t i v e S t a t u s”时，在执行共享的中断请 求之前，系统提供的韧件会先测试哪一层被激活。而选择“O ff s e t P r e C a l c”则不用测试，可直接找到中断 源并进人中断服务程序。4 A D C模块的调用 对于 P S o C的用户模块，D e s i g n e r 提供有一系列 A P I 函数可供用户选用，对于 8 位 一 型 A D C，有：D E I I G8 一S t a r t D 阻SI G8 一S e t P o

22、 w e r DE I I G8 一S t o p DE麟8-S t a r t AD DEL S I G8 S t o p AD DEL S I G8 _f I s Da t a A v a i l a b l e DE L S I G8 _c G e t Da t a DE L S I G8 C l e a r F l a g DE L S I G8 一c Ge t Da t a C l e a r F l a g 此时可同时有 C和汇编两种形式。如对于获取 A D转换值 的 A P I 函数 D E I S I G 8 7一c G e t D a ta来说，有：C P r o t o t

23、 y p e：C H A R D E L S】G 8 一 c G e t D a t a(v o i d)As s e mb l y：c a l l DE I SI G8 一c G e t Da t a 下面是对 8 位 一型 A D C的 A P I 函数进行调 用以获得 A D采样值的程序段：i n c l u d e“m 8 c i n c”；部分特殊常数和宏的定义 i n c l u d e“P S o C A P I i n c”；P S o C被用到的所有 A P I 函数定 义 e x p o r tma i n ma i n：M 8 C E n a b l e G I n ；允

24、许全局 中断 mo v A，D E L S I G 8,l 口 G I 口 P 0 l砌；设定 A D C 模块的功率等级 c a l l D E L S I G 8 _ S t a r t ：一A D C初 始化 c a ll D E L S I G 8 一 S t a r t A D ；开始采样处理 ma i n l o o p：c m p【D E L S I G 8 _ b t S ta t u s】，0；测试状态标志 j z m a J n l o o p ；等待转换完成和 数据有效 II K)V 【D I I G 8-；ta t u s】，0；复位数据有效 标志 II K)V A，【

25、D E I S I G 8 一 e R e s u l t；抓取有效 A D 转换值 c a l l P r o c e s s S a m p l e；调用处理 A D C值子程序 j m p m a i n l o o p P r o c e s s S a mp l e：；(处理 A D C值子程序)l e t 参考文献【1 P s o C 瑚M i x e d S i A r r a y T e c h n i c a l R e f e r e n c e M a n u a l Z C y p r=,s Mic r o S y s t e m s，2 O 0 4 收稿 日期：2 O

26、 0 4 1 1 2 9 咨询编号：0 5 0 6 1 0 元器件快讯 高亮度表面封装 1,ED 安捷伦科 技公司(A g i l e n t T e c h n o l o o e 8)和 l m i l e d s n g 宣布推出三款 E n v i s i u m中等功率发光二极管产 品。E n v i s i u m P o w e r P L C C一4 S M T L E D主要应用于中央高 位刹车灯、前转向灯、车后组合转向灯、尾灯和刹车灯、反 光镜转向信号指示灯等汽车外部照明以及仪表盘及控制 背光、中央控制台背光、导航和音响系统等车内照明。E n v i s i u m P o

27、 w e r L E D分为红色、橙红色和琥珀色三种，满足了广大用户对于介于当前运行功率为 2 0 0 m W 的安捷 伦 P L C C一4产品和运行功率为 1 W 甚至更高的 L u m i l e d s L i g h ti n g的 h l x e o n L E D光源之间的中等功率照明功能的需 求。E n v i s i u m P o w e r L E D基于 P L C C一4 标准封装尺寸，其 LED带有衬底，由位于弯曲引线框顶部的模制塑料反射器 组成；其芯片封装在采用了安捷伦专有的环氧混合材料的 反射器腔内部。这种封装设计与精心选择的元器件材料 相结合，可以保障 L E D能够在 一4 o +1 0 0 温度范围 内保持高度稳定的工作，这对于严酷的汽车工作环境至关 重要。咨询编号：0 5 0 6 1 1 维普资讯 http:/