單片機(jī)原理與實(shí)踐第六章

2023年5月6日1Cortex-M4原理與實(shí)踐第六章模擬外設(shè)主講人：陳朋（博士、副教授）地址：廣B二樓Email：2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐2主要內(nèi)容提綱6.1模擬比較器6.2模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器2023年5月6日3第六章Cortex-M4F微處理器的系統(tǒng)控制6.1模擬比較器2023年5月6日4概要Cortex-M4原理與實(shí)踐模擬比較器的基本概念模擬比較器模塊結(jié)構(gòu)與功能模擬比較器模塊的編程模擬比較器TM4C1294微控制器提供三個(gè)獨(dú)立的集成模擬比較器，具有如下功能：可以比較外部輸入管腳和外部輸入管腳或內(nèi)部可編程的參考電壓比較器可將測(cè)試電壓與下面的其中一種電壓相比較獨(dú)立的外部參考電壓共用的外部參考電壓共用的內(nèi)部參考電壓2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐52023年5月6日6內(nèi)部結(jié)構(gòu)Cortex-M4原理與實(shí)踐功能描述比較器通過比較VIN-和VIN+輸入來產(chǎn)生輸出VOUT；VIN-<VIN+,VOUT=1；VIN->VIN+,VOUT=0；2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐7內(nèi)部參考電壓2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐8內(nèi)部參考電壓可設(shè)置為兩種模式（低電平或高電平），具體取決于ACREFCTL寄存器的RNG位。當(dāng)RNG位被清零時(shí)，內(nèi)部參考電壓處于高電平模式，而當(dāng)RNG被置位時(shí)，內(nèi)部參考電壓處于低電平模式。初始化與配置舉例2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐9voidmain(){intoutput;//初始化系統(tǒng)時(shí)鐘g_ui32SysClock=SysCtlClockFreqSet((SYSCTL_XTAL_25MHZ|SYSCTL_OSC_MAIN|SYSCTL_USE_PLL|SYSCTL_CFG_VCO_480),120000000);//設(shè)置為內(nèi)部參考電壓1.65VComparatorRefSet(COMP_BASE,COMP_REF_1_65V);例6.1：將比較器0配置成內(nèi)部參考電壓1.65V，不觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，輸出高低電平產(chǎn)生中斷，輸出不翻轉(zhuǎn)。初始化與配置舉例2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐10//配置比較器0、不會(huì)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)(COMP_TRIG_NONE)、用內(nèi)部產(chǎn)生的電壓//作為參考電壓(COMP_ASRCP_REF)、比較器正常輸出到器件管腳，不翻轉(zhuǎn)//(COMP_OUTPUT_NORMAL)ComparatorConfigure(COMP_BASE,0,(COMP_TRIG_NONE|COMP_ASRCP_REF|COMP_OUTPUT_NORMAL));//延時(shí)SysCtlDelay(g_ui32SysClock/12);//讀取比較器的輸出值output=ComparatorValueGet(COMP_BASE,0);}2023年5月6日11第六章Cortex-M4F微處理器的系統(tǒng)控制6.2ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊2023年5月6日12概要Cortex-M4原理與實(shí)踐ADC的基本概念模塊結(jié)構(gòu)與功能滾輪傳感器和片上溫度傳感器的編程2023年5月6日13模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）Cortex-M4原理與實(shí)踐實(shí)現(xiàn)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號(hào)的電路ADC能將連續(xù)變化的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量值廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等2023年5月6日14內(nèi)置兩個(gè)12位的ADC模塊Cortex-M4原理與實(shí)踐支持20個(gè)模擬輸入通道和一個(gè)片上內(nèi)置溫度傳感器；可配置為單端輸入或差分輸入；采樣率最高可達(dá)1Msps（每秒采樣一百萬次）；每個(gè)ADC模塊有4個(gè)可編程的采樣轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器，序列長度1到8個(gè)單元不等，且均帶有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果FIFO；每個(gè)采樣序列均可靈活配置輸入源、觸發(fā)事件、中斷的產(chǎn)生和序列優(yōu)先級(jí)等；硬件可自動(dòng)對(duì)最多64個(gè)采樣取平均值以提高采樣精度；用微型直接內(nèi)存訪問（μDMA）有效的傳輸數(shù)據(jù)ADC模塊的連接框圖2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐15兩個(gè)ADC模塊共享20個(gè)模擬輸入通道，工作相互獨(dú)立，可同時(shí)執(zhí)行不同的采樣序列、隨時(shí)對(duì)任一模擬輸入通道進(jìn)行采樣、并各自產(chǎn)生不同的中斷和觸發(fā)事件2023年5月6日16ADC模塊框圖Cortex-M4原理與實(shí)踐2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐17采樣序列發(fā)生器（SampleSequencer）功能：采樣控制和數(shù)據(jù)采集每個(gè)采樣序列由一系列程序設(shè)定的連續(xù)采樣動(dòng)作組成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)從多個(gè)輸入源中收集數(shù)據(jù)可以通過ADCSSMUXn寄存器配置采樣序列輸入管腳，通過ADCSSCTLn配置溫度傳感器使能、中斷使能位和結(jié)束位等

ADCSequenceConfigure()每個(gè)序列發(fā)生器有各自最大的采樣數(shù)目和FIFO深度采樣序列執(zhí)行完后，可以從ADC采樣序列結(jié)果FIFO寄存器(ADCSSFIFOn)中讀取結(jié)果數(shù)據(jù)ADCSequenceDataGet()Sequencer采樣數(shù)FIFO深度SS088SS144SS244SS3112023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐18模塊控制控制單元負(fù)責(zé)除采樣序列發(fā)生器外的剩余部分：中斷產(chǎn)生、DMA操作、序列優(yōu)先級(jí)設(shè)置、觸發(fā)條件配置、比較器配置、外部參考電壓、采樣相位控制等2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐19中斷控制ADC模塊是否產(chǎn)生中斷信號(hào)由ADC中斷屏蔽寄存器(ADCIM)的MASK位決定中斷狀態(tài)可以從寄存器ADCRIS得到原始狀態(tài)；或者從寄存器ADCISC得到屏蔽的中斷狀態(tài)使用函數(shù)ADCIntStatus()查知置位ADCISC寄存器的IN位可清除相應(yīng)的序列發(fā)生器中斷使用函數(shù)ADCIntClear()清除

中斷狀態(tài)2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐20采樣事件采樣序列發(fā)生器的觸發(fā)條件通過ADC事件復(fù)用選擇寄存器(ADCEMUX)定義觸發(fā)事件源包括微控制器觸發(fā)（默認(rèn)）、模擬比較器觸發(fā)、GPIO觸發(fā)、通用定時(shí)器觸發(fā)、PWM觸發(fā)及持續(xù)采樣觸發(fā)軟件可以通過置位ADC處理器采樣序列啟動(dòng)寄存器(ADCPSSI)來啟動(dòng)采樣序列采樣啟動(dòng)函數(shù)ADCProcessorTrigger()例子2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐21voidmain(){intpui32ADC0Value;//初始化系統(tǒng)時(shí)鐘g_ui32SysClock=SysCtlClockFreqSet((SYSCTL_XTAL_25MHZ|SYSCTL_OSC_MAIN|SYSCTL_USE_PLL|SYSCTL_CFG_VCO_480),120000000);//開啟ADC0時(shí)鐘SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC0);例6.2：配置PE3口為ADC單端采樣模式，使用采樣序列3采樣，處理器信號(hào)觸發(fā)方式。例子2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐22//使能GPIOE口SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOE);//將PE3口配置成AD輸入模式GPIOPinTypeADC(GPIO_PORTE_BASE,GPIO_PIN_3);//使用采樣序列3來采樣，處理器的信號(hào)觸發(fā)方式，0為最高優(yōu)先級(jí)ADCSequenceConfigure(ADC0_BASE,3,ADC_TRIGGER_PROCESSOR,0);//配置采樣序列3的步驟0，配置模擬通道0(ADC_CTL_CH0)、采樣結(jié)束產(chǎn)生中斷ADCSequenceStepConfigure(ADC0_BASE,3,0,ADC_CTL_CH0|ADC_CTL_IE|ADC_CTL_END);//使能采樣序列3ADCSequenceEnable(ADC0_BASE,3); 例子2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐23//開始采樣前先清除采樣序列3產(chǎn)生的中斷ADCIntClear(ADC0_BASE,3);while(1){//觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換ADCProcessorTrigger(ADC0_BASE,3);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束while(!ADCIntStatus(ADC0_BASE,3,false)){}//清除中斷標(biāo)志ADCIntClear(ADC0_BASE,3);//讀取ADC轉(zhuǎn)化的值A(chǔ)DCSequenceDataGet(ADC0_BASE,3,pui32ADC0Value);SysCtlDelay(g_ui32SysClock/12);}//延時(shí)}2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐24硬件采樣平均電路產(chǎn)生更高精度的結(jié)果，最高可以將64個(gè)采樣值進(jìn)行平均，將平均結(jié)果作為單次采樣結(jié)果寫入FIFO的一個(gè)單元硬件平均電路默認(rèn)是關(guān)閉的，關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)換器的所有數(shù)據(jù)直接傳送到序列發(fā)生器FIFO硬件采樣平均電路由ADCSAC寄存器控制，配置函數(shù)： ADCHardwareOversampleConfigure()2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐25A/D轉(zhuǎn)換器采用SAR（逐次逼近法）產(chǎn)生12位模-數(shù)轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部參考電壓3.0V或外部參考電壓(2.4V-3.63V)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值范圍為0x00～0xFFF(即0~212-1)2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐26差分采樣除了傳統(tǒng)的單端采樣，ADC模塊還支持對(duì)兩個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行差分采樣。要啟用差分采樣功能，軟件必須在某個(gè)采樣步驟的配置半字節(jié)中將ADCSSCTL0n寄存器的Dn位置位。差分信號(hào)對(duì)模擬輸入00和112和324和536和748和9510和11612和13714和15816和17918和19注意：ADC不支持差分信號(hào)對(duì)的隨意組合，如模擬輸入端0和模擬輸入端3無法作為一對(duì)差分信號(hào)輸入。2023年5月6日27差分采樣Cortex-M4原理與實(shí)踐差分模式下采樣電壓是奇數(shù)通道與偶數(shù)通道電壓的差值：正向輸入電壓：VIN+=VIN_EVEN（偶數(shù)通道電壓）負(fù)向輸入電壓：VIN-=VIN_ODD（奇數(shù)通道電壓）差分輸入電壓定義為：VIND=VIN+?VIN-，因此：若VIND=0，則轉(zhuǎn)換結(jié)果=0x800若VIND>0，則轉(zhuǎn)換結(jié)果>0x800（范圍是0x800～0xFFF）若VIND<0，則轉(zhuǎn)換結(jié)果<0x800（范圍是0～0x800）2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐28差分采樣由于最大的峰峰差分信號(hào)電壓為2×（VREFP?VREFN），ADC讀數(shù)表示為：mVperADCcode=（2×（VREFP?VREFN））/4096例子例6.3：差分采樣實(shí)例：配置差分采樣，使用差分對(duì)0，使用采樣序列3，處理器信號(hào)觸發(fā)采樣。2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐292023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐30溫度傳感器溫度傳感器的主要作用是當(dāng)芯片溫度過高或過低時(shí)向系統(tǒng)給予提示，保障芯片穩(wěn)定工作溫度傳感器必須始終使能內(nèi)部溫度傳感器提供模擬溫度讀數(shù)以及參考電壓。輸出端SENSO的電壓按照下式計(jì)算：SENSO＝2.7–((T+55)/75)可以從溫度傳感器的ADC結(jié)果通過函數(shù)轉(zhuǎn)換得到溫度讀數(shù)（單位為℃）：TEMP＝147.5-（（75*（VREFP-VREFN）×ADCCODE）/4096）例子2023年5月6日Cortex-M4原理與實(shí)踐31voidmain(){//初始化系統(tǒng)時(shí)鐘g_ui32SysClock=SysCtlClockFreqSet((SYSCTL_XTAL_25MHZ|SYSCTL_OSC_MAIN|SYSCTL_USE_PLL|