C8051F020高速ADC采樣的代碼優(yōu)化

　　在應(yīng)用C8051F020的片內(nèi)高速ADC進(jìn)行時(shí)間序列采樣時(shí)，編寫代碼使ADC工作于最高速度是一個(gè)難題。本文從ADC的C語言中斷模式的驅(qū)動(dòng)代碼設(shè)計(jì)開始，分析對(duì)應(yīng)的匯編語言中消耗CPU的主要步驟，研究ADC采樣的優(yōu)化方式。經(jīng)過驗(yàn)證，通過使用額外定時(shí)器可以優(yōu)化ADC采樣結(jié)束時(shí)機(jī)的控制;而在時(shí)間關(guān)鍵場所，因?yàn)闇p少了現(xiàn)場保護(hù)和恢復(fù)的操作代碼，查詢方式比中斷模式具有更高的時(shí)間效率。

　　引言

　　在設(shè)計(jì)需要進(jìn)行時(shí)間序列采樣的數(shù)據(jù)采集儀表中，需要用ADC對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行等間隔高速采樣并緩存，帶有高速ADC的C8051F020[1]單片機(jī)是一種很好的選擇。C8051F020是一款由Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的高性能8位混合信號(hào)兼容MCS-51單片機(jī)，內(nèi)部集成4096字節(jié)的XRAM，以及2個(gè)帶有PGA的高速ADC，其中8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1采樣率高達(dá)500kSPS(Sample per second)。在進(jìn)行時(shí)間序列分析的應(yīng)用中需要編程ADC1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)緩存到XRAM中。C8051F020的機(jī)器周期和時(shí)鐘周期相等(傳統(tǒng)單片機(jī)的機(jī)器周期等于其時(shí)鐘周期的12倍)，當(dāng)使用24MHz的晶振時(shí)，速度最高可達(dá)到24MIPS(Million Instructions Per Second)，傳統(tǒng)單片機(jī)僅2MIPS。雖然這個(gè)速度看起來已經(jīng)很快，但是如果需要使得ADC1工作于最高頻率，代碼的編寫則需要相當(dāng)?shù)募记?。針?duì)時(shí)間關(guān)鍵部分的編程，除了需要考慮常規(guī)的代碼優(yōu)化方案[2]，如循環(huán)展開、宏替換函數(shù)等之外，本文將從基本的采樣設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，研究如何在Keil集成開發(fā)環(huán)境下編寫合適的C語言代碼驅(qū)動(dòng)F020的ADC1，使其工作于最高采樣率。

　　ADC1高速采樣的初步時(shí)間估算

　　時(shí)間序列的獲取需要進(jìn)行等時(shí)間間隔采樣，也就是要編寫代碼驅(qū)動(dòng)ADC1進(jìn)行高速等間隔采樣并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到有限數(shù)量的XRAM。C8051F020中沒有DMA模塊，控制ADC1采樣以及將采樣結(jié)果傳送到XRAM均需要CPU的直接操作。設(shè)定單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘24MHz，則其機(jī)器周期為T=1/24MHz≈41.67ns。ADC1的時(shí)鐘根據(jù)器件手冊(cè)最高可配置為6MHz[1]，可由系統(tǒng)時(shí)鐘4分頻得到;當(dāng)ADC1工作于500kHz時(shí)，采樣周期為2μs=2000ns，在該段時(shí)間如果運(yùn)行單周期的指令，可以運(yùn)行2000ns/41.67ns=48條指令，簡記為48T。已采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算和判斷、跳轉(zhuǎn)以及外部存儲(chǔ)器的訪問等操作均需要執(zhí)行時(shí)間≥2T的指令，初步分析在此期間最多可以運(yùn)行24條匯編指令。

　　為了實(shí)現(xiàn)等時(shí)間間隔采樣，根據(jù)對(duì)F020數(shù)據(jù)手冊(cè)的閱讀，應(yīng)該采用定時(shí)器2或3周期觸發(fā)ADC1，并在ADC1采樣結(jié)束立即將采樣結(jié)果傳送到XRAM。該類程序的設(shè)計(jì)一般有兩種模式：查詢方式和中斷方式。通常而言，中斷有利于節(jié)約CPU時(shí)間，本設(shè)計(jì)即從中斷模式設(shè)計(jì)開始分析。