1　引言

　　A／D轉(zhuǎn)換器的種類很多，不同的應(yīng)用場合對其要求不同，有的要求高轉(zhuǎn)換速率，有的要求有高精度，還有的用于便攜式儀表中，需要低功耗等等。用于數(shù)據(jù)采集板的A／D轉(zhuǎn)換器，一般是和計算機(jī)或微處理器結(jié)合在一起使用。隨著單片機(jī)在各種智能儀器儀表中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了一些將A／D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)內(nèi)核集成在一塊芯片上的數(shù)據(jù)采集芯片，ADuC812就是這樣一種芯片。

　　ADuC812是8通道12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，它具有如下特點(diǎn)（見Analog Devices公司的資料：MicroConverter，Multichannel 12－Bit ADC withEmbedded Flash MCU ADuC812，2002）：

　　內(nèi)含8通道高精度12位A／D轉(zhuǎn)換器；高達(dá)200kHz的采樣轉(zhuǎn)換速率；可通過DMA控制器實現(xiàn)由ADC到外部數(shù)據(jù)存儲器之間的高速數(shù)據(jù)存儲；片內(nèi)還包含2個12位D／A轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)包含有溫度傳感器；片內(nèi)集成有和8051兼容的MCU內(nèi)核，工作頻率為12MHz，最高可達(dá)16MHz，MCU上帶有3個16位定時／計數(shù)器，9個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級；片內(nèi)帶8K字節(jié)的FLASH程序存儲器，640字節(jié)FLASH數(shù)據(jù)存儲器，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器，同時還可擴(kuò)展16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲器以及64K字節(jié)的程序存儲器；低電壓3V或5V供電，有節(jié)電模式；帶UART和SPI串行接口；帶看門狗定時器。

　　2　管腳說明

　　   ADuC812采用S－52封裝，它的大部分管腳和8051相應(yīng)管腳功能相同，幾個主要管腳功能如下：

　　P1口：和8051的P1口功能不同，它只能作為模擬或數(shù)字信號的輸入口，而不能作為輸出口，缺省狀態(tài)為8路模擬信號輸入端，要使它們中的某位變?yōu)閿?shù)字信號輸入腳，應(yīng)向P1口對應(yīng)的特殊功能寄存器的相應(yīng)位寫入“0”信號，如果該特殊功能寄存器的相應(yīng)位為“1”，則該位對應(yīng)的管腳為模擬信號輸入腳；

　　DAC0、DAC1：為兩路D／A轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸出腳；

　　SS、SCLK、MOSI、MISO：為串行設(shè)備接口（SPI）。

　　SS為SPI接口的從屬設(shè)備選擇，在多機(jī)通信中使用，SCLK為SPI接口時鐘，MOSI以及MISO為輸入／輸出數(shù)據(jù)線；

　　D0、D1：和SPI接口復(fù)用的數(shù)字輸出腳，通過DCON特殊功能寄存器控制從D0或D1腳輸出數(shù)字信號；

　　T2：定時器2數(shù)字信號輸入腳；

　　T2EX：數(shù)字輸入腳，讀取定時器2的計數(shù)器或重裝該計數(shù)器的觸發(fā)腳，負(fù)跳變時有效。

　　其它腳的功能和8051相應(yīng)腳的功能相同。

　　3　使用方法

　　3．1　程序存儲器

　　程序存儲器分為片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器，片內(nèi)含有8K字節(jié)的FLASH可編程程序存儲器，可滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，該段程序存儲器可以用兩種方式寫入，一種是通過標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口進(jìn)行串行下載寫入，當(dāng)PSEN管腳通過外部電阻接地時，在上電后自動進(jìn)入串行下載模式，通過串行口自動從外部開發(fā)系統(tǒng)中下載程序；第二種方式和E2PROM的編程方式相同，通過編程器進(jìn)行并行寫入。

　　3．2　數(shù)據(jù)存儲器

　　ADuC812的用戶數(shù)據(jù)存儲器包含三部分，片內(nèi)640字節(jié)的FLASH數(shù)據(jù)存儲器、256字節(jié)的RAM以及片外可擴(kuò)展到16M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，其中640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器被分成160頁，每頁4字節(jié)，通過6個特殊功能寄存器來進(jìn)行存取，即通過ECON、EADRL以及EDATA1～4來存取，EADRL寄存器指定要進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的頁地址，ECON控制寄存器可控制EDATA1～4寄存器和EADRL指定的頁內(nèi)4個存儲器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而ECON還可控制FLASH數(shù)據(jù)存儲器的擦除、校驗等操作，它的控制模式如表1所示。　　 

　　外部數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為000000H～0FFFFFFH，共有16M字節(jié)地址空間，低16位地址線的連接和8051單片機(jī)系統(tǒng)中的外部數(shù)據(jù)存儲器的地址連接方式相同，高8位的連接方式是復(fù)用P2口，利用ALE地址鎖存信號在鎖存P0口的低8位地址信號的同時鎖存高8位地址信號，來實現(xiàn)16M字節(jié)地址空間的尋址。它的數(shù)據(jù)指針和8051單片機(jī)不同，是由3個8位寄存器組成，即DPP（頁字節(jié)）、DPH（高位字節(jié)）、DPL（低位字節(jié)）。

　　3．3　A／D轉(zhuǎn)換器

　　ADuC812包含一個8通道單電源12位逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器的線性誤差為±1／2 LSB，轉(zhuǎn)換時間為5μs，可以提供內(nèi)部2．5V參考電源，同時也可以外接從2．5V到AVDD的參考電源，通過ADCCON1～3三個特殊功能寄存器來控制A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可保存在ADCDATAH／L二個特殊功能寄存器中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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的高四位用來保存采樣的通道號。如果采樣數(shù)據(jù)較大，如以200kHz的速率對被輸入的模擬信號進(jìn)行連續(xù)采樣，這時必須用DMA模式，將采樣數(shù)據(jù)直接保存在外部數(shù)據(jù)存儲器中，采樣結(jié)束后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　三個控制寄存器的功能如下。

　?。?）ADCCON1控制采集和轉(zhuǎn)換時間以及轉(zhuǎn)換模式，各位的功能如下：　　 

　　CK1、CK0選擇主時鐘分頻系數(shù)，從主時鐘分頻來產(chǎn)生ADC時鐘，CK1－0為00～11，分別按1、2、4、8分頻。

　　AQ1、AQ0選擇ADC采樣保持時鐘，分頻系數(shù)從ADC時鐘分頻產(chǎn)生，AQ1－0為00～11時分別按1、2、4、8分頻。

　　T2C：定時器2溢出觸發(fā)位，通過置位該位，可使用定時器2的溢出信號作為ADC轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號。

　　EXC：ADC轉(zhuǎn)換外部觸發(fā)使能位，通過置位該位，可由外部引腳（CONVST）來觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。

　?。?）ADCCON2控制通道選擇和轉(zhuǎn)換模式：　　 

　　其中，ADCI為中斷標(biāo)志位；DMA為DMA模式使能位；CCONV為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式使能位；SCONV為單次轉(zhuǎn)換模式使能位；CS3、CS2、CS1、CS0為通道選擇位，用戶通過程序指定須進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的通道。CS3－0為0000～0111時指示8個通道號，1000時指示溫度傳感器，1111為DMA終止信號，其他情況保留。

　?。?）ADCCON3用于給出ADC狀態(tài)指示位，只有第7位為BUSY位，其它位保留，BUSY位為只讀位，在一個有效的ADC轉(zhuǎn)換或校驗周期中，該位為“1”，當(dāng)轉(zhuǎn)換或校驗結(jié)束后，該位清“0”。

　　3．4　D／A轉(zhuǎn)換器

　　ADuC812包含兩個12位的D／A轉(zhuǎn)換器，每個D／A轉(zhuǎn)換器可用于轉(zhuǎn)換12位或8位數(shù)據(jù)，兩個D／A轉(zhuǎn)換器共用一個控制寄存器DACCON，每個轉(zhuǎn)換器還有兩個數(shù)據(jù)寄存器，實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)在寄存器中是右調(diào)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轉(zhuǎn)換的模式，“1”為8位模式，“0”為12位模式；RNG1、RNG0用于輸出范圍控制，“1”為0～VDD，“0”為0～VREF；CLR1、CLR0為輸出清除位，“0”使輸出強(qiáng)迫為0V，“1”使輸出正常；SYNC為兩通道輸出同步控制位，為“1”時，改寫DACxL寄存器，輸出即產(chǎn)生變化，要使兩通道同步變化，須在SYNC為“0”時，更新兩個通道的DACxL／H寄存器，然后使SYNC位置“1”，兩通道同步更新輸出值；PD1、PD0為節(jié)電模式位，“0”關(guān)閉相應(yīng)通道的D／A轉(zhuǎn)換，“1”打開D／A轉(zhuǎn)換。

　　D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓可由DACCON控制寄存器通過軟件選擇VREF或VDD，使輸出電壓范圍分別為0～VREF或0～VDD，D／A轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時間小于15μs。

　　4　應(yīng)用

　　基于ADuC812的諸多特點(diǎn)，如果加上必要的外部信號調(diào)理電路，就可以構(gòu)成一個完整實用的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常簡單。

　　圖1是一個由ADuC812構(gòu)成的動平衡機(jī)測量系統(tǒng)?！　?nbsp;

　　轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，由于不平衡而產(chǎn)生離心力引起擺架系統(tǒng)振動，動平衡機(jī)通過傳感器將此機(jī)械振動量變成電信號，然后經(jīng)平面分離、衰減和定標(biāo)調(diào)整、濾波放大等處理電路，最后由指示儀表進(jìn)行顯示。動平衡機(jī)在平衡轉(zhuǎn)子時，轉(zhuǎn)子的任一平面上有不平衡量，必然要在左右兩個支承上同時引起振動，振動的大小可以通過左、右兩個傳感器測量出來，設(shè)m1r1和m2r2為左右校正面上的不平衡量，左校正面上的單位不平衡量在左右兩端引起的振動分別為αL1和αR1，右校正面上的單位不平衡量在左右兩端引起的振動分別為αL2和αR2，左右兩端總的振動為VL和VR，如圖2所示，則有，　　

　　式中，Δ＝αL1αR2－αR1αL2是方程組的系數(shù)行列式，如果通過分壓電路，將右端的振動量取出和左端的振動量相減，則左端的不平衡量m1r1只與左端的振動VL有關(guān)，只是與左端不平衡量大小有關(guān)的一個標(biāo)量，通過定標(biāo)設(shè)定可以補(bǔ)償它們。這樣就消除了右端的不平衡量對左端的影響，同樣也可以消除左端的不平衡量對右端的影響，通過信號調(diào)理電路，可完成對信號的衰減控制、平面分離、信號放大以及電平的偏置，使輸出信號既包含交流的振動信號，又包含直流的偏置電平。因A／D轉(zhuǎn)換電路是單電源器件，只能轉(zhuǎn)換0～VREF的正電壓，不能轉(zhuǎn)換負(fù)電壓，通過信號調(diào)理電路后的振動信號在經(jīng)過相敏檢波后，輸出的是正的直流電壓，滿足A／D轉(zhuǎn)換的要求。

　　經(jīng)過R00和R900相敏檢波，可將右端的振動信號VR在00和900方向上進(jìn)行分解，設(shè)分別為VR0和VR90，而經(jīng)過L00和L900相敏檢波，可將左端的振動信號VL在00和900方向上進(jìn)行分解，設(shè)分別為VL0和VL90，則左右兩端的振動的幅值分別為：　　

　　因此，相敏檢波后，得到了左右兩端兩個相位差為90°的分量，對它們進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后，由MCU分別計算左右兩端的幅值和相角，振動的幅值｜VL｜和｜VR｜反映了左右兩端振動的大小，通過｜VL｜和｜VR｜的計算，可解算出左右兩端不平衡量的大小，而振動的相位ΦL和ΦR反映了不平衡量所處的位置，相角的計算可求出不平衡量所在的相位，指示出重點(diǎn)或輕點(diǎn)的相位位置。

　　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由外部中斷0腳控制定時／計數(shù)器0的計時時間來實現(xiàn)，由8051的定時／計數(shù)器在工作方式0和方式1的結(jié)構(gòu)可看出，當(dāng)TCON的TR0位為1，TMOD的GATE位為1，且T0工作于定時方式時，內(nèi)部振蕩信號經(jīng)過12分頻后給T0提供時鐘信號，T0計數(shù)與否與外部中斷0的電平高低有關(guān)，如果INT0＝0，T0不計數(shù)，如果INT0＝1，T0開始計數(shù)，這樣就可測量脈沖寬度，通過光電頭將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號后再2分頻，得到頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一半的方波信號，通過方波信號的高電平去控制T0的計數(shù)，該數(shù)值為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期，由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期可得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大小。

　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及不平衡量的計算通過外部中斷0完成，光電頭產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)2分頻后，得到頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一半的方波信號，該信號加到INT0上，將外部中斷0設(shè)置成邊緣觸發(fā)，在每個方波的下降沿產(chǎn)生中斷，MCU讀取TL0和TH0寄存器值，并將TL0和TH0清零，開始下一次計時，然后根據(jù)TL0和TH0的數(shù)值，計算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并根據(jù)TL0和TH0中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期值的四分之一配置定時／計數(shù)器1的TL1和TH1，定時／計數(shù)器1工作于定時方式，通過定時／計數(shù)器1的中斷由兩路DAC產(chǎn)生相位差為90°兩路方波信號，用于對振動信號的相敏檢波，MCU對ADC0～ADC3進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，計算左右兩平面的不平衡量的大小和相位，然后將轉(zhuǎn)速及不平衡量的大小和相位送8279進(jìn)行顯示。不平衡量測量的流程圖如圖3所示。該系統(tǒng)用于一臺渦輪轉(zhuǎn)子動平衡機(jī)的改造，收到了預(yù)期的效果。