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C8051F020中的ADC應(yīng)用要素
摘要：歸納SOC型芯片C8051F020中模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的應(yīng)用要素，包括精度與通道、速率與啟動(dòng)、基準(zhǔn)與增益、數(shù)據(jù)與控制，提出編程及相關(guān)SFR的操作順序。關(guān)鍵詞：片上系統(tǒng)（SOC） A/D轉(zhuǎn)換（ADC） 特殊功能寄存器（SFR）
C8051F020（簡(jiǎn)稱F020）是美國(guó)德州Cygnal公司推出的一種混合信號(hào)SOC型8位單片機(jī)。它屬于C8051F系列中的F02x子系列。其性能價(jià)格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域極具競(jìng)爭(zhēng)力。F020具有8路12位A/D轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱ADC）接口和8路8位在線可編程（ISP）的ADC電路，片上的特殊功能寄存器（簡(jiǎn)稱SFR）有15個(gè)與ADC的控制相關(guān)，它們是：
AMUX0SL——AMUX0通道選擇寄存器，復(fù)位值為00000000；
MAX0CF——AMUX0配置寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC0CF——ADC0配置寄存器，復(fù)位值為11111000；
ADC0CN——ADC0控制寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC0H——ADC0數(shù)據(jù)字MSB寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC0L——ADC0數(shù)據(jù)字LSB寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC0GTH——ADC0下限數(shù)據(jù)高字節(jié)寄存器，復(fù)位值為11111111；
ADC0GTL——ADC0下限數(shù)據(jù)低字節(jié)寄存器，復(fù)位值為11111111；
ADC0LTH——ADC0上限數(shù)據(jù)高字節(jié)寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC0LTL——ADC0上限數(shù)據(jù)低字節(jié)寄存器，復(fù)位值為00000000；
AMX1SL——AMUX1通道選擇寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC1CN——ADC1控制寄存器，復(fù)位值為00000000；
ADC1CF——ADC1配置寄存器，復(fù)位值為11111000；
ADC1——ADC1數(shù)據(jù)字寄存器，復(fù)位值為00000000；
REF0CN——基準(zhǔn)電壓控制寄存器，復(fù)位值為00000000。
ADC是混合信號(hào)控制器的重要功能，如欲在應(yīng)用編程中得心應(yīng)手，就必須對(duì)其相關(guān)的要素有較清晰的整體認(rèn)識(shí)。
1 ADC的精度與通道
F020采用TQFP100封裝，芯片引腳有8個(gè)（引腳18～25）專用于模擬輸入，是8路12位ADC的輸入端。每路12位的轉(zhuǎn)換精度都是其自身的±1LSB（最低位）。實(shí)際上，對(duì)于12位逐次逼近寄存器型（SAR）ADC只有1個(gè)，在它與各輸入端之間有1個(gè)具有9通道輸入的多路選擇開(kāi)關(guān)（可配置模擬多路開(kāi)關(guān)AMUX）。AMUX的第9通道連接溫度傳感器。在F020中，12位ADC稱為ADC0，另有8路8位在系統(tǒng)可編程（ISP）的ADC電路稱為ADC1。其8個(gè)外接引腳與P1口復(fù)用，片內(nèi)結(jié)構(gòu)與ADC0相近，只是轉(zhuǎn)換的位數(shù)為8位，轉(zhuǎn)換精度為8位的±1LSB。
ADC0端口的每一對(duì)均可用編程設(shè)置成為分別地單端輸入或差分輸入。差分輸入時(shí)的端口配對(duì)為0-1、2-3、4-5、6-7，此設(shè)置由通道選擇寄存器AMUX0SL的低4位和通道配置寄存器AMUX0CF的低4位確定。在AMX0CF中，位3～0各對(duì)應(yīng)2個(gè)引腳通道。位值=0，表示是獨(dú)立的單端輸入（復(fù)位值均為單端輸入）；位值=1，表示是差分輸入對(duì)。對(duì)應(yīng)AMX0CF選差分輸入時(shí)，AMUX0SL中只有在選雙數(shù)（含0）通道時(shí)才有效（注：AMUX0SL低4位為1xxx時(shí)，不論AMX0CF低4位為何值，均選溫度傳感器）。
將REF0CN的位3置“1”時(shí)，允許使用溫度傳感器；置“0”時(shí)，溫度傳感器的輸出為高阻態(tài)。溫度傳感器的值可用于修正參數(shù)的非線性或記錄、調(diào)整與溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)。
2 ADC的速率與啟動(dòng)
C8051F系列單片機(jī)中ADC的速率都是可用編程設(shè)置的，但最少要用16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。一般在轉(zhuǎn)換之前還自動(dòng)加上3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的跟蹤/保持捕獲時(shí)間（>1.5μs）。設(shè)置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過(guò)配置寄存器ADCxCF(x為0或1)的位7～3來(lái)進(jìn)行的，其復(fù)位值為11111（位7～3=SYSCLK/CLK SAR-1）。
一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式，控制寄存器ADCxCN的位6如果為“0”，則一直處于跟蹤方式（此時(shí)啟動(dòng)4種啟動(dòng)方式都可比跟蹤啟動(dòng)快3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘）；如為“1”，則有4種跟蹤啟動(dòng)方式可選擇，即對(duì)ADCxCN中的位3～2賦值：00為向ADBUSY寫(xiě)1時(shí)跟蹤（軟件命令）；01為定時(shí)器3溢出跟蹤；10為CNVSTR上升沿跟蹤（外部信號(hào)）；11為定時(shí)器2溢出跟蹤。
復(fù)位時(shí)，ADCxCN的位7為0，處于關(guān)斷狀態(tài)。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，AD
CxCN的位5為“1”，位4（忙標(biāo)志）的下降沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)中斷，也可用軟件查詢這些狀態(tài)位。
3 ADC的基準(zhǔn)與增益
F020的片內(nèi)有1個(gè)1.2V、15×10 -6/℃的帶隙電壓基準(zhǔn)發(fā)生器和1個(gè)兩倍增益的輸出緩沖器。2.4V的基準(zhǔn)電壓（VREF）可通過(guò)外引腳分別接入ADC0、ADC1和DAC中。VREF對(duì)外帶載能力為200μA（建議在驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載時(shí)，對(duì)地接1個(gè)負(fù)載電阻）。ADC使用偏置時(shí)，必須將參考源控制寄存器REFcCN中的位1置“1”；如果“0”，則關(guān)閉內(nèi)部偏壓，此時(shí)可通過(guò)VREF引腳（引腳12）使用外部基準(zhǔn)電壓，外部基準(zhǔn)電壓必須小于VAV±0.3V（還要大于1V）。不用ADC，也不用DAC時(shí)，可將REFxCN的位0置“0”，使緩沖放大器處于省電方式（輸出為高阻態(tài)）。
設(shè)置REF0CN的位4為“0”時(shí)，ADC0用VREF偏置，為“1”時(shí)，用DAC0輸出偏置；設(shè)置REF0CN的位3為“0”時(shí)，ADC1用VREF偏置，為“1”時(shí)，用AV+偏置。
在F020的ADC電路中，輸入多路選擇開(kāi)關(guān)AMUX后面都帶有1個(gè)可用編程設(shè)置增益的內(nèi)部放大器（PGA）。當(dāng)各模擬通道之間輸入的電壓信號(hào)范圍差距較大時(shí)，或需要放大一個(gè)具有較大直流偏移的信號(hào)時(shí)（在差分輸入方式，DAC可用于提供直流偏移）顯得尤為有用。設(shè)置的方式是配置ADCxCF中的位2～0（000對(duì)應(yīng)PGA的增益為1；001對(duì)應(yīng)為2；010對(duì)應(yīng)為4；011對(duì)應(yīng)為8；10x對(duì)應(yīng)為16、11x對(duì)應(yīng)為0.5）。這里的增益對(duì)溫度傳感器信號(hào)也起作用。當(dāng)增益為1時(shí)，VTEMP=0.002 86(V/℃)(TEMPC) ℃+0.776V。
4 ADC的數(shù)據(jù)與控制
對(duì)應(yīng)單端輸入，ADC結(jié)果數(shù)據(jù)字格式為：0V——0000，VREF——0FFF或FFF0。
對(duì)應(yīng)差分輸入，ADC結(jié)果數(shù)據(jù)字格式為2的補(bǔ)碼：VREF——07FF，0——0000，-VREF——F800或8000。
將ADCxCN的位0置“0”可使結(jié)果右對(duì)齊；置“1”可使結(jié)果左對(duì)齊。當(dāng)差分輸入時(shí)，右對(duì)齊產(chǎn)生的多余高位是符號(hào)擴(kuò)展位。
C8051F系列單片機(jī)內(nèi)還設(shè)有數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器或稱可編程窗口檢測(cè)器，也叫ADC上（下）限數(shù)據(jù)寄存器ADC0G（L）TH（L），用后臺(tái)方式監(jiān)視一個(gè)關(guān)鍵電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)（或之外）時(shí)，向控制器申請(qǐng)轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。要求在窗口之內(nèi)中斷時(shí)，上限寄存器LT裝入高位窗口數(shù)，下限寄存器GT裝入低位窗口數(shù)；若要求在窗口之外中斷時(shí)，則在下限寄存器GT中裝入高位窗口數(shù)，在上限寄存器LT中裝入下限窗口數(shù)。
復(fù)位時(shí)，ADC部分的狀態(tài)為：內(nèi)部電壓基準(zhǔn)緩沖器關(guān)閉、內(nèi)部偏壓關(guān)閉、內(nèi)部傳感器關(guān)閉、ADC禁止、轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器右對(duì)齊、12位的端口均為單端輸入、端口指向AIN0、SAR轉(zhuǎn)換33個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)部放大器增益為1、下限數(shù)據(jù)寄存器為FFFFH、上限數(shù)據(jù)寄存器為0000H。
綜合F020中與ADC相關(guān)的各要素，要想正確應(yīng)用ADC功能，應(yīng)按下列順序編程：設(shè)置參考電壓>設(shè)置允許ADC>設(shè)置跟蹤（啟動(dòng)）方式>設(shè)定數(shù)據(jù)對(duì)齊>配置通道>選擇通道>設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和增益>設(shè)定窗口檢測(cè)上、下限>啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。操作SFR的順序（以12位為例）為：REF0CH>ADC0CN>AMX0C>AMUX0SL>ADC0CF>ADC0GTH>ADC0GTL>ADC0LTH>ADC0LTL>ADC0CN或其它啟動(dòng)方式。
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