新型微控制器AduC812的P1口的應(yīng)用
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AduC812是一種新型的高度集成的高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在其片內(nèi)，不僅包含了可重新編程的非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位(與8051兼容)MCU，還包含了高性能的自校準(zhǔn)多通道(8個輸入通道)ADC，兩個12位DAC。AduC812微控制器內(nèi)核與8051指令集兼容，具有9個中斷源(2個優(yōu)先級)。片內(nèi)還集成了8K字節(jié)的閃速/電擦除程序存儲器、640字節(jié)的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256字節(jié)RAM。
AduC812共有52個管腳，使用4個通用數(shù)據(jù)端口P0～P3與外部器件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每一個I/O口都有自己不同的驅(qū)動執(zhí)行電路。除端口1之外都是8位雙向端口。端口1的操作是AduC812特有的，表1說明了P1口可復(fù)用的管腳功能。
表1 P1口管腳說明
所有端口均包含位鎖存器和輸入緩沖器，I/D雙向端口還包含了輸出驅(qū)動器。由于P1口沒有輸出驅(qū)動器，所以P1口只能是輸入端口，只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出，如圖1所示。AduC812的P1口通常用于模擬輸入;當(dāng)不用于模擬輸入時，可將0寫至端口值，這樣就被設(shè)置為數(shù)字輸入方式。
2 P1口的各種功能與應(yīng)用
P1口的主要功能是ADC的模擬輸入，另外還可用于一些控制輸入、定時器2和計數(shù)器2的數(shù)字輸入以及SPI從屬選擇輸入等。
2.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入
AduC812中的ADC轉(zhuǎn)換塊包含了8通道、12位、單電源A/D轉(zhuǎn)換器。此模塊為用戶提供了多通道多路轉(zhuǎn)換器、跟蹤/保持、片內(nèi)基準(zhǔn)、校準(zhǔn)特性。此模塊內(nèi)的所有部件都能方便地通過3個寄存器SFR接口來設(shè)置。
A/D轉(zhuǎn)換器由基于電容DAC的常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器組成。轉(zhuǎn)換器接收的模擬輸入范圍為0至+VREF。片內(nèi)提供高精度、低漂移并經(jīng)工廠校準(zhǔn)的2.5V基準(zhǔn)電壓。內(nèi)部基準(zhǔn)可經(jīng)外部VREF引腳過驅(qū)動。外部基準(zhǔn)在2.3V至AVDD的范圍內(nèi)。
AduC812裝有工廠編程的校準(zhǔn)系數(shù)，它在上電時自動下載到ADC，以確保最佳的ADC性能。ADC核包括內(nèi)部失調(diào)和增益校準(zhǔn)寄存器，所提供的軟件校準(zhǔn)子程序可允許用戶在需要時重寫工廠編程的校準(zhǔn)系數(shù)，以便使用戶目標(biāo)系統(tǒng)中端點誤差的影響為最小。
來自片內(nèi)溫度傳感器的電壓輸出正比于絕對溫度，它也可向前端ADC多路轉(zhuǎn)換器(實際上是第9個ADC通道輸入)傳送。
2.1.1 ADC轉(zhuǎn)移函數(shù)
ADC的模擬輸入范圍是0V至VREF。在此范圍內(nèi)，設(shè)計的代碼跳變發(fā)生在連續(xù)的整數(shù)LSB值的中間(即LSB，LSB，LSB，……FS-LSB)。當(dāng)VREF=2.5V時，輸出碼是直接的二進(jìn)制數(shù)，1LSB=FS/4096或2.5V/4096=0.61mV。在0至VREF范圍內(nèi)理想的輸入/輸出轉(zhuǎn)移特性如圖2所示。
2.1.2 SFR至ADC塊的接口
AduC812中ADC的工作完全由3個SFR控制，它們分別是ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3。
2.1.2.1 ADCCON1--ADC控制SFR#1
ADCCON1寄存器控制轉(zhuǎn)換和采集時間、硬件轉(zhuǎn)換模式以及掉電模式。詳述如下：
SFR地址： FFH
SFR上電缺省值： 20H
位可尋址： 無
ADCCON1 SFR位的說明如表2所示。
MD1 MD0 CK1 CK0 AQ1 AQ0 T2C EXC
2.1.2.2 ADCCON2--ADC控制SFR#2
ADCCON2寄存器控制ADC通道選擇和轉(zhuǎn)換模式。詳述如下：
SFR地址： D8H
SFR上電缺省值： 00H
位可尋址： 是
ADCCON2 SFR位說明如表3所示。
ADCI DMA CCONV SCONV CS3 CS2 CS1 CS0
2.1.2.3 ADCCON3--ADC控制SFR#3
ADCCON3寄存器中只有一位有效，它給出ADC忙狀態(tài)的指示。詳述如下：
SFR地址： F5H
SFR上電缺省值： 00H
位可尋址： 無
ADCCON3 SFR位的說明如表4所示。
BUSY RSVD RSVD RSVD RSVD RSVD RSVD RSVD
2.1.3 ADC工作模式
通過設(shè)置ADCCON1和ADCCON2兩個寄存器，可使ADC處于三種不同的工作模式：一種是單步轉(zhuǎn)換模式，一種是連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，還有一種是DMA工作模式。用軟件或通過把轉(zhuǎn)換信號加至外部引腳23(CONVST)可以啟動單步或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，同時還可設(shè)置定時器2的溢出位，用作ADC轉(zhuǎn)換起始觸發(fā)脈沖輸入。
DMA工作模式與其他兩種工作模式有顯著不同，若配置ADC工作在DMA工作模式，則ADC塊將進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換并把采樣值捕獲到外部RAM空間，而不需要來自MCU核的任何干預(yù)，這種自動捕獲功能可以擴(kuò)展到16M字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器空間。值得注意的是，若工作于DMA工作模式，將要求用戶在中斷服務(wù)子程序中用5us的時間完成中斷服務(wù)、讀ADC結(jié)果并為進(jìn)一步的后續(xù)處理存儲結(jié)果，否則下一次ADC采樣可能會丟失。這一限制條件是由于AduC812已把片內(nèi)ADC設(shè)計成能運行在每5us采樣一次的最高速度(即200kHz采樣速率)。因此，在要求其他中斷速率的應(yīng)用中，不能使用ADC DMA工作模式。
現(xiàn)以我們研制的家用心電圖機為例，說明ADC的使用方法與功能實現(xiàn)。在該心電圖機中，ADC0用于心電信號的模擬輸入，將2.5V參考電壓接至VREF，由于人體心電信號在0.5mV～4mV，典型值在1mV左右，需經(jīng)過500倍的放大，落在ADC輸入電壓0～2.5V范圍之內(nèi)。因此，心電信號經(jīng)過LM324放大、濾波后輸入ADC0，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量以進(jìn)行顯示、存儲、發(fā)送、打印等功能。在這里，A/D轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字量，最小可分辨的信號是0.6mV。對于最小的心電信號0.5mV，經(jīng)放大后為0.25V，對于最大的心電信號4mV，經(jīng)放大后為2V，均在ADC的輸入范圍之內(nèi)。
心電圖機使用電池作為電源，當(dāng)電池電壓不足時需要提醒用戶更新電池。電源電壓為+5V，所以不能直接接至ADC的輸入端。電源電壓要經(jīng)過分壓電路進(jìn)行分壓，使分壓的電壓在ADC的輸入范圍之內(nèi)。ADC1用于電源電壓分壓后的模擬輸入，進(jìn)而監(jiān)測電源電壓的變化，當(dāng)電源電壓低于一定值時蜂鳴器報警，同時液晶顯示提醒用戶更換電池。若電源電壓低于4.5V時報警，則分壓后為1.5V，當(dāng)ADC1的輸入低于1.5V(0999H)時則啟動報警系統(tǒng)。
下面是利用ADC0采集心電信號的部分程序，ADC首先要初始化，即送適當(dāng)?shù)目刂谱?，根?jù)前面介紹的ADC的SFR，選擇適當(dāng)?shù)腟FR值。
由于ADC0作為心電信號的模擬輸入，選擇ADCCON1可使ADC正常工作，ADC時鐘分頻比為2。由于LM324輸出阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8kΩ，所以選擇ADC采集時鐘1，得到ADCCON1=50H。選擇通道0，可利用ADCCON2的默認(rèn)值00H。
由于ADC1作為電源監(jiān)測的模擬輸入，選擇ADCCON1可使ADC正常工作，ADC時鐘分頻比為2。由于電源阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8kΩ，所以選擇ADC采集時鐘1，得到ADCCON1=50H。選擇通道1，ADCCON2=01H。
在下面程序中，堆棧設(shè)置在60H，利用定時器0中斷后執(zhí)行采樣程序，選取采樣頻率為200Hz，因而定時器0的定時值為TL0=3CH，TH0=F6H。由于啟動單個轉(zhuǎn)換周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要16×2+1=33個AduC812主時鐘，程序中一次延時循環(huán)為2個主時鐘，因而在采樣程序中利用R0=16作為單個轉(zhuǎn)換周期，延時36個主時鐘，以完成一次采樣后的A/D轉(zhuǎn)換。ADCDATAL為A/D轉(zhuǎn)換低8位，ADCDATAH為A/D轉(zhuǎn)換高4位;R1、R2用于存放12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，設(shè)置00H位作為采樣結(jié)束標(biāo)志位。
2.2按鍵控制
當(dāng)不需要使用AduC812的ADC的全部8個通道時，剩余的ADC輸入可用作數(shù)字輸入端。例如，我們將P1口中的幾位用于按鍵控制的輸入端口，此時要先將0寫至端口值。需要注意的是，AduC812的P1口用作按鍵時是高電平有效，在沒有按鍵輸入時，P1口應(yīng)保持低電平，因此在用作按鍵的P1口應(yīng)加下拉電阻(即P1.3～P1.7在沒有輸入時為低電平)，阻值一般為幾千歐。在前面的例子中，按鍵分別連接到P1.3～P1.7，它們通過2kΩ的下拉電阻接至地;插座的第6腳接高電平VCC，用于觸發(fā)按鍵。當(dāng)有鍵按下時，P1.3～P1.7中的相應(yīng)位接至高電平VCC，這樣就給出了按鍵信息。通過上面的程序就可以進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，并且采用防抖方法來提高可靠性，具體程序如下：
AduC812的P1口兼容了MCS51系列單片機的功能，而且又有著自己獨特的多種其它可實現(xiàn)的功能。這樣，在一片單片機上利用P1口可以實現(xiàn)盡可能多的功能。
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