定制化PSoC實現(xiàn)8通道SAR ADC采樣16通道

通過ADC進行信號采樣是MCU應用的常見任務，這可以將連續(xù)模擬信號轉換為一系列離散的數(shù)字數(shù)據(jù)供MCU處理。在某些應用中，單個ADC需要以高采樣率對多個通道進行采樣。例如電源監(jiān)測系統(tǒng)的管理子系統(tǒng)需要對多個穩(wěn)壓電源的輸出進行采樣，以監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài);再如在基于傳感器的應用中，MCU需要對多個傳感器進行采樣以實現(xiàn)系統(tǒng)反饋。

我們有位客戶想使用一片賽普拉斯的PSoC4實現(xiàn)用1MSps采樣率采樣16個通道的設計，16個通道的總采樣時長不能超過19μs。但PSoC4內(nèi)置的多路復用器(SARMUX)只支持8個通道。本文將介紹如何通過PSoC內(nèi)部的可編程模塊克服這一設計難題。

分析設計需求

首先我們需要仔細分析設計需求?？蛻舭?6個輸入的完整采樣視為一個采樣周期。如圖1所示，一個采樣周期的最大時長限制為19μs。每個采樣周期之間可使用中斷服務請求(ISR)存儲采樣結果。

圖1：對16通道采樣的時序。

若要用一個8通道SAR來實現(xiàn)這個目標，我們需要使用PSoC4片內(nèi)的通用可編程數(shù)字模塊(UDB)實現(xiàn)定制設計。該設計使用PSoC4片內(nèi)的數(shù)字信號互聯(lián)(DSI)實現(xiàn)多路復用器切換采樣通道，并且在采樣周期結束時將采樣結果緩沖在基于數(shù)據(jù)通路(datapath)的FIFO中，然后通過中斷服務子程序(ISR)全部讀取出來。

數(shù)據(jù)通路是UDB模塊中最靈活的部分。每個UDB模塊包含一個數(shù)據(jù)通路，每個數(shù)據(jù)通路包含一個具有多個寄存器的8位ALU。UDB結構和數(shù)據(jù)通路功能的詳細介紹請參閱PSoC4技術參考手冊。每個數(shù)據(jù)通路可實現(xiàn)一個8字節(jié)FIFO。我們需要四個FIFO來緩沖16個12位SAR采樣結果。

圖2：16通道SAR采樣。

圖2顯示的是基于DSI的多路復用器，能在多個輸入之間自動切換當前的采樣通道。圖3顯示的是硬件FIFO的概覽圖。

圖3：用于緩沖采樣結果的四個8字節(jié)FIFO。

配置SAR組件

SAR被配置成單端模式采樣單個輸入通道，輸入電壓范圍在0~Vdd之間，1MSps采樣率。在收到采樣觸發(fā)信號后，SAR就開始輸入信號采集，采集結束后產(chǎn)生一個“SDONE”信號，該信號被送入DSI網(wǎng)絡，并被命名為“ADC_SDONE”。PSoC Creator標準組件庫中提供的SAR組件無法支持輸出采樣結果到DSI總線上。因此，我們需要把SAR組件導入到項目中并加以修改，如圖4中的紅色部分所示。

圖4：詳細設計—修改SAR組件。

圖5所示的是SAR組件的輸出連接。在SAR_Start函數(shù)之后，我們還需要添加一行代碼，使得SAR能將采樣結果輸出到DSI網(wǎng)絡，如下所示：

// start SAR component and wait for conversion trigger

SAR_Start();?

// enable SAR sampling result output on DSI

*((reg32 *)(SAR_SAR_CHAN_CONFIG_IND + (uint32)(0 2))) |=

SAR_DSI_OUT_EN;

圖5：詳細設計—SAR的輸出連接。

基于DSI的多路復用器

如圖6中藍色部分所示，通過DSI控制的硬件多路復用器取代SARMUX，以用于切換16個通道。采用SWITCH_CLK時鐘觸發(fā)Count7單元，以生成通道選擇信號，這樣每次通道轉換可分為兩個階段：信號采集和轉換。

圖6：基于DSI的MUX和觸發(fā)信號生成。

信號采集完成之后，信號將保持在SAR中，此時可切換輸入通道。因此用于顯示信號采集階段完成的SDONE可用于通道切換。實際上，SWITCH_CLK是基于DSI信號“ADC_SDONE”(SDONE)定義的時鐘，其設置見圖6的“cydwr”頁面。

圖7：設計范圍資源的時鐘定義。

Count7單元屬于定制組件，不在標準組件庫的范圍內(nèi)。它是一個遞減計數(shù)器，輸出當前的計數(shù)器值給DSI。其默認值初始值為0x7F。因此通道選擇的范圍是從#15到#0。在主程序中添加以下代碼實現(xiàn)對Count7的控制。

/* Enter critical section */

interruptState = CyEnterCriticalSection();

/* Set the Count Start bit */

MYCOUNT7_AUX_CTL |= (1 5);

/* Exit critical section */

CyExitCriticalSection(interruptState);

// set default value of count7 as 0x7F

MYCOUNT7_COUNTER = MYCOUNT7_PERIOD;

生成SAR的采樣觸發(fā)

第1步：在完成當前采樣工作之前生成下一個觸發(fā)信號

由于針對SAR只有一個實際輸入，因此一旦完成對當前通道的采樣，SAR就需要為下一次采樣觸發(fā)信號。許多信號都適用于此目的，但觸發(fā)信號選擇應遵循以下兩個規(guī)則：

1. 在觸發(fā)信號和當前采樣完成之間不應存在間隔，甚至觸發(fā)信號可以提前發(fā)生，這樣就可以降低延遲。

2. 觸發(fā)信號必須確保不會破壞當前采樣工作。

根據(jù)上述規(guī)則，可選擇SDONE和EOC用于觸發(fā)。但使用EOC將使每通道采樣時間至~1.4μs，這是因為觸發(fā)信號上升沿時刻和SAR開始采樣之間存在開銷。SAR需要至少5個SARADC_CLK時鐘來將DSI觸發(fā)信號轉換為信號采樣開始。我們的設計要求更加苛刻。EOC信號與SARADC_CLK上升沿同步。在穿過DSI網(wǎng)絡，并到達SAR的SOC(開始轉換)之后，就已經(jīng)略滯后于采樣時鐘的上升沿。因此，它需要6個SARADC_CLK時鐘或大約340ns觸發(fā)產(chǎn)生耗時。

我們必須尋求另一種觸發(fā)信號。幸運的是在SAR工作時，其可存儲一個觸發(fā)信號，但僅限一個，用于下一次掃描。因此我們可以使用SDONE觸發(fā)轉換。讓觸發(fā)產(chǎn)生耗時與SAR轉換時間并行，SAR就可在當前轉換完成之前存儲該觸發(fā)事件?，F(xiàn)在對16通道的采樣我們能有1μs的轉換時間(見圖12中的SDONE周期)。

第2步：在每次采樣周期結束時暫時停止觸發(fā)信號生成

在每次采樣周期結束時，我們需要暫時停止觸發(fā)信號生成，否則持續(xù)不斷的采樣將使FIFO溢出。如圖6的紅色部分所示，在選擇通道0時，需關閉同步的D觸發(fā)器(DFF)以暫時停止觸發(fā)器輸出。而在FIFO被ISR清空后，則需使用0x7F重置Count7單元，從而重新啟用DFF輸出。同時，應使用固件觸發(fā)的方式在新周期中開始第一通道的采樣，如圖8所示。

圖8：SAR ADC時序。

FIFO控制

UDB可配置為8字節(jié)FIFO，用于存儲來自DSI網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。圖9顯示了配置數(shù)據(jù)通路的概覽圖。FIFO時鐘將數(shù)據(jù)采樣到FIFO。F0 Load和F1 Load負責啟用或禁用FIFO。兩個狀態(tài)信號可提示FIFO Full事件。

圖9：針對8字節(jié)FIFO的數(shù)據(jù)路徑配置。

圖10所示的是FIFO的工作時序。12位SAR結果分別存儲在LSB_FIFO和MSB_FIFO中。Count7單元可對從15到0的通道進行排序。因此通道15到8存儲于FIFO上部，通道7到0存儲于FIFO下部。加載信號根據(jù)FULL狀態(tài)和啟用信號而生成。

圖10：FIFO時序。

最后四個通道的結果一旦存儲完畢后就會觸發(fā)ISR讀取FIFO。FIFO Enable使用Count7單元的位(如圖11的紅色部分所示)，同時該位也與SWITCH_CLK(SDONE)同步。這樣可確保EN變化不會破壞FIFO采樣。

圖11：為FIFO生成EN的詳細設計。

設計測試

圖12所示的是一個采樣周期。十六個SDONE和EOC脈沖表示通道轉換。十六個FIFOCLK和一個FIFO的FULL信號可對最后四個結果進行緩沖，用于說明FIFO的工作狀態(tài)。請注意，SDONE和FIFOCLK之間的間隔是1μs。

圖12：測試結果——一個采樣周期中的信號。

圖13是多個采樣周期的波形。將數(shù)據(jù)從FIFO存儲到SRAM的兩個周期之間的間隔是大約9.56μs。

圖13：測試結果——多個采樣周期。