第7章AD、DA、CMP和TSI模块

第7章A/D、D/A、CMP和TSI模块本章导读：作为工业控制及测量最主要的模块之一，*H/数转换（ADC及数/模转换（DAC）的是嵌入式系统应用的基本内容之一。比较器CMP也是嵌入式应用系统中基本的控制逻辑之一。触摸感应接口TSI作为一种新型的人机交互手段，已应用于越来越多的嵌入式系统。本章主要知识点有A/D转换的基本知识及一般编程模型；D/A转换的基本知识及一般编程模型；比较器CMP模块的基本知识及一般编程模型；TSI模块的基本知识及一般编程模型。7. 116位A/D转换模块的驱动构件设计在过程控制和仪器仪表中，多数情况下是由嵌入式计算机进行实时控制及实时数据处理的。计算机所加工的信息是数字量，而被测控对象往往是一些连续变化的模拟量（如温度、压力、速度或流量等）。模/数（Analog/Digital,A/D）转换模块是嵌入式计算机与外界连接的纽带，是大部分嵌入式应用中必不可少的重要组成部分，该部分的性能直接影响到嵌入式设备的总体性能。本节首先简要阐述A/D转换的基础知识，接着给出K60MCU内部A/D转换模块的基本编程方法，并封装了A/D转换构件，可供实际开发参考使用。7.1.1A/D转换的基础知识A/D转换模块（AnalogToDigitalConvertModule）即模/数转换模块，其功能是将电压信号转换为相应的数字信号。数字控制系统如图7-1所示。实际应用中，该电压信号可能由温度、湿度、压力等实际物理量经过传感器和相应的变换电路转化而来。经过A/D转换后,MCU就可以处理这些物理量。进行A/D转换，应该了解以下一些基本问题：第一，采样精度是多少；第二，采样速率有多快；第三，滤波问题；第四，物理量回归等。图7-1数字控制系统框图1 .采样精度采样精度就是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，即采样位数。通常，MCU的采样位数为8位，某些增强型的可达到10位，而专用的A/D采样芯片则可达到12位、14位，甚至16位。设采样位数为N,则最小的能检测到的模拟量变化值为1/2n。例如，以K60为例，其采样精度最高为16位，若参考电压为3.3V,则检测到的模拟量最小变化为3.3/216=0.05mV。2 .米样速率采样速率是指完成一次A/D采样所要花费的时间。在多数的MCU中要花费几个到几十个指令周期，因而此速率和所选器件的工作频率有很大关系。3 .滤波为了使采样的数据更准确，必须对采样的数据进行筛选，去掉误差较大的毛刺。通常采用中值滤波法和均值滤波法来提高采样精度。所谓中值滤波，就是将M次连续采样值按大小进行排序，取中间值作为滤波输出。而均值滤波，是把N次采样结果值相加，然后除以采样次数N,得到的平均值就是滤波结果。若要得到更高的精度，可以通过建立其他误差模型分析方式来实现。4 .物理量回归在实际应用中，得到稳定的A/D采样值以后，还需要把A/D采样值与实际物理量对应起来，这一步称为物理量回归。A/D转换的目的是把模拟信号转化为数字信号，供计算机进行处理，但必须知道A/D转换后的数值所代表的实际物理量的值，这样才有实际意义。例如，利用MCU采集室内温度，A/D转换后的数值是126,实际它代表多高温度呢？如果当前室内温度是25.IV,则A/D值126就代表实际温度25.C。7.1.2 A/D转换常用传感器简介传感器是指把物理量或化学量转变成电信号的器件，它是实现测试与自动控制系统的首要环节。例如，电子计价秤中所安装的称重传感器，是电子计价秤的重要部件，它担负着将重量转换成电信号的任务，该电信号被放大器放大并经A/D转换后，由显示器件给出称重信息。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，无论是信号转换或信息处理都将无法实现。传感器的种类可分为力、热、湿、气、磁、光、电等。各种传感器都是根据相关材料在不同环境下会表现出不同的物理特性研制而成的。下面介绍一些简单的传感器。1 .温度传感器温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度有关的特性制成的，这些特性包括热膨胀、电阻、电容、磁性、热电势、热噪声、弹性及光学特征，根据制造材料将其分为热敏电阻传感器、半导体热电偶传感器、PX结温度传感器和集成温度传感器等类型。热敏电阻传感器是一种比较简单的温度传感器，其最基本电气特性是随着温度的变化自身阻值也随之变化。图7-2(a)是XTC热敏电阻。(a) NTC热敏电阻(b)热敏电阻的简单采样电路图7-2热敏电阻及其采样电路在实际应用中，将热敏电阻接入图7-2(b)的采样电路中，热敏电阻和一个特定阻值的电阻串联，由于热敏电阻会随着环境温度的变化而化，因此A/D采样点的电压也会随之变化，A/D采样点的电压式中，X是一特定阻值，根据实际热敏电阻的不同而加以选定。假如热敏电阻阻值增大，采样点的电压就会减小,A/D值也相应减小；反之，热敏电阻阻值减小，采样点的电压就会增大，A/D值也相应增大。所以采用这种方法，MCU就会获知外界温度的变化。如果想知道外界的具体温度值，就需要进行物理量回归操作，也就是通过A/D采样值，根据采样电路及热敏电阻温度变化曲线，推算当前温度值。2 .光敏电阻器光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小；入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子一空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图7-3（a）所示。图7-3（b）给出了简单的光敏电阻采样电路，其中A/D采样点的电压的计算方法类似于上述热敏电阻A/D采样点电压的计算。a）光敏电期小）光敏电阴的筒单果样电路图7-3光敏电阻及其采样电路3 .灰度传感器所谓灰度，也可认为是亮度，简单地说就是色彩的深浅程度。灰度传感器的主要工作原理是使用两只二极管，一只为发白光的高亮度发光二极管，另一只为光敏二极管。发光二极管发出超强白光照射在物体上，通过物体反射回来落在光敏二极管上，由于受照射在它上面的光线强弱的影响，光敏二极管的阻值在反射光线很弱（也就是物体为深色）时为几百千欧，一般光照度下为几千欧，在反射光线很强（也就是物体颜色很浅，几乎全反射时）为几十欧。这样就能检测到物体的颜色的灰度了。7.1.3 A/D转换模块概要与编程要点1. A/D模块简介概要由于K60的ADC模块的时钟频率最高可配置为50MHz,最快采样周期为4个时钟，所以采样速率最高可达12.5MHz。K60共有2个ADC模块，每个ADC模块包含27个寄存器。ADC模块由于使用了线性逐次逼近算法，所以具有最高可达16位的分辨率。同时ADC具有差分输入和单端输入两种采集模式。差分输入模式具有4路，每路有可以分别配置为16位、13位、11位和9位四种采集精度；单端输入模式具有24路，每路可以分别配置为16位、12位、10位和8位四种采集精度。当K60的ADC模块配置为差分模式时，将4对差分引脚视为差分输入源，将该对引脚的电压差值作模数转换的测量值，而且相应的结果寄存器会出现符号位。当差分引脚DP的电压比DM高时，符号位为0。当差分引脚DP的电压比DM低时，符号位1。虽然差分可以带符号，但这里还是建议读者设置DP端的电压值高于DM端的电压值。如果ADC模块配置位为非差分模式时，那么差分模式下的所有差分输入正端将视为单端模式的输入端。其实单端输入可以理解为另一端电压值永远为0V的差分输入。2. A/D模块寄存器ADCI块共有2个通道，每个道共有28个寄存器。表7-2列出了ADC01的28个寄存器的内存映射，ADC通道的寄存器名、复位值和该通道相同，基地址则从400B_B000开始。表7-2ADC0通道寄存器映射绝对地址寄存器名宽度进入方式复位值4003_B000ADC状态控制寄存器1(ADC0_SC1A)32R/W0000_001Fh4003_B004ADC状态控制寄存器1(ADC0_SC1B)32R/W0000_001Fh4003_B008ADC配置寄存器1(ADC0_CFG1)32R/W0000_0000h4003_B00CADC配置寄存器2(ADC0_CFG2)32R/W0000_0000h4003_B010ADC数据结果寄存器(ADC0_RA)32R0000_0000h4003_B014ADC数据结果寄存器(ADC0_RB)32R0000_0000h4003_B018比较值寄存器(ADC0_CV1)32R/W0000_0000h4003_B01C比较值寄存器(ADC0_CV2)32R/W0000_0000h4003_B020状态和控制寄存器2(ADC0_SC2)32R/W0000_0000h4003_B024状态和控制寄存器3(ADC0_SC3)32R/W0000_0000h4003_B028ADC偏移校正寄存器(ADC0_OFS)32R/W0000_0004h4003_B02CADC力口方增益寄存器(ADC0_PG)32R/W0000_8200h4003_B030ADC减方增益寄存器(ADC0_MG)32R/W0000_8200h4003_B034ADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLPD)32R/W0000_000Ah4003_B038ADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLPS)32R/W0000_0020h4003_B03CADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLP4)32R/W0000_0200h4003_B040ADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLP3)32R/W0000_0100h4003_B044ADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLP2)32R/W0000_0080h4003_B048ADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLP1)32R/W0000_0040h4003_B04CADC加方通用校准值寄存器(ADC0_CLP0)32R/W0000_0020h4003_B050ADCPGA寄存器(ADC0_PGA)32R/W0000_0000h4003_B054ADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLMD)32R/W0000_000Ah4003_B058ADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLMS)32R/W0000_0020h4003_B05CADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLM4)32R/W0000_0200h4003_B060ADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLM3)32R/W0000_0100h4003_B064ADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLM2)32R/W0000_0080h4003_B068ADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLM1)32R/W0000_0040h4003_B06CADC减方通用校准值寄存器(ADC0_CLM0)32R/W0000_0020h在