基于C8051F的模數(shù)轉(zhuǎn)換及直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用

1引言

隨著微型計算機的迅速發(fā)展，單片機的性能也大大增強。本文介紹SiliconLabs公司的8位單片機C8051F001系列，該系列器件內(nèi)部集成了A／D轉(zhuǎn)換器，這給測量模擬信號帶來了極大方便。利用單片機自身的PWM口可實現(xiàn)對電機數(shù)字系統(tǒng)的控制，提高了控制精度，大大簡化了電路，符合小型化和低功耗的設(shè)計要求。

2ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特點

C8051F001／2／5／6／7系列自帶一個9通道的可配置模擬開關(guān)(AMUX)，一個可編程增益放大器(PGA)和一個100kS／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器。AMUX、PGA、模數(shù)轉(zhuǎn)換方式和窗口檢測器都可通過軟件對特殊功能寄存器的設(shè)置來實現(xiàn)。模擬多路開關(guān)AMUX中的8個通道用于外部測量，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關(guān)配置后進入可編程放大器。值得注意的是，PGA的增益對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)位時的默認(rèn)增益為1?？梢詫MUX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。

3ADC工作原理

從外圍設(shè)備中采集出來的模擬量被選通后，由采樣和保持電路通過PGA增益放大，經(jīng)過一個12位的逐次逼近寄存器(SAR)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，具體過程是將二進制規(guī)則變化的參考電壓逐次與模擬輸入電壓作比較，以尋找一個與輸入電壓最接近的參考電壓，最后在逐次逼近寄存器(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個通道或者溫度傳感器(AMXAD0)，配置寄存器ADC0CF用來設(shè)置SAR轉(zhuǎn)換時鐘和ADC內(nèi)部放大增益?？刂萍拇嫫鰽DCOCN用于設(shè)置ADC啟動方式、ADC窗口比較中斷及ADCOH和ADCOL的對齊方式。最后將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。

5ADC的啟動方式

A／D轉(zhuǎn)換的啟動方式有4種，由ADC0CN的ADC啟動轉(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1到ADC0CN的ADBUSY位；

2)定時器3溢出(即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換)；

3)外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號的上升沿，CNVSTR；

4)定時器2溢出(即定時的連續(xù)轉(zhuǎn)換)。

向ADBUSY寫1方式提供在需要時用軟件控制ADC啟動轉(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)一個中斷(當(dāng)被允許時)并置1中斷標(biāo)志ADCINT。注意：當(dāng)轉(zhuǎn)換是由軟件(on-demand)啟動時，應(yīng)查詢ADCINT標(biāo)志(而不是ADBUSY)判斷轉(zhuǎn)換何時結(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ADC0H：ADC0L中的存儲方式可以是左對齊或右對齊，由ADC0CN寄存器中ADLJST位的編程狀態(tài)決定。

6ADC可編程窗口檢測器

8051中的ADC可編程窗口檢測器非常有用。它不停地將ADC輸出與用戶編程的限制量進行比較，并在檢查到越限條件時通知系統(tǒng)控制器，這在中斷驅(qū)動的系統(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)時間。窗口檢測器中斷標(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，窗口檢測器標(biāo)志即可以在測量數(shù)據(jù)位于用戶編程的極限值以內(nèi)時有效，也可以在測量數(shù)據(jù)位于用戶編程的極限值以外時有效，這些全部取決于ADC0GTx和ADC0LTx的編程值。

7實際應(yīng)用

圖3是直流測速發(fā)電機與單片機的接口電路。在該系統(tǒng)中，通過單片機口產(chǎn)生PWM信號控制直流電機的轉(zhuǎn)速。在直流電機的軸上安裝直流測速發(fā)電機，用來測量電動機的轉(zhuǎn)速，測速發(fā)電機輸出是模擬量，所以必須經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換將輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字測速信號，通過單片機將測速信號和給定的PWM信號進行比較，用于加速或減速。從而形成電動機的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

該電路采用了C8051005單片機。用模擬通道0采集信號，采用2。4V內(nèi)部參考電壓，模擬輸入端具有限流和限壓保護。直流測速發(fā)電機要與被測電機同軸，兩者以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，測速發(fā)電機的輸出電壓必須經(jīng)過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)整滑動變阻器的位置使測速電機達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時，滑變抽頭采樣得到的電壓為2。4V。通過脈寬調(diào)制PWM控制開關(guān)管工作的開關(guān)狀態(tài)，柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，12V電壓加在電動機兩端，時間為t1；柵極輸入低電平時，開關(guān)管截止，電動機兩端電壓為0，時間為t2。可得到占空比a=t1／(t1+t2)。在t2時段內(nèi)，電源斷開，電動機電感通過二極管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)電機給定值存放在50H單元中。

8進行A／D轉(zhuǎn)換時應(yīng)注意的問題

8。1信號處理

C8051F內(nèi)部基準(zhǔn)電壓的范圍為AGND～AV±0。3V，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，如果測試的模擬輸入電壓范圍為0～5V，必須使信號衰減才能輸入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，那么信號將衰減一半。如使用外部1。25V參考電壓，PGA增益GAIN為0。5，允許的電壓輸入范圍是0V～2。5V，AIN電壓還必須在AGND和VREF／GAIN之間。假設(shè)一個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。