1　引言

　　A／D轉(zhuǎn)換器的種類很多，不同的應(yīng)用場合對(duì)其要求不同,，有的要求高轉(zhuǎn)換速率,，有的要求有高精度，還有的用于便攜式儀表中,，需要低功耗等等,。用于數(shù)據(jù)采集板的A／D轉(zhuǎn)換器，一般是和計(jì)算機(jī)或微處理器結(jié)合在一起使用,。隨著單片機(jī)在各種智能儀器儀表中的廣泛應(yīng)用,，出現(xiàn)了一些將A／D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)內(nèi)核集成在一塊芯片上的數(shù)據(jù)采集芯片,，ADuC812就是這樣一種芯片。

　　ADuC812是8通道12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器,，它具有如下特點(diǎn)（見Analog Devices公司的資料：MicroConverter,，Multichannel 12－Bit ADC withEmbedded Flash MCU ADuC812，2002）：

　　內(nèi)含8通道高精度12位A／D轉(zhuǎn)換器,；高達(dá)200kHz的采樣轉(zhuǎn)換速率,；可通過DMA控制器實(shí)現(xiàn)由ADC到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；片內(nèi)還包含2個(gè)12位D／A轉(zhuǎn)換器,；片內(nèi)包含有溫度傳感器,；片內(nèi)集成有和8051兼容的MCU內(nèi)核，工作頻率為12MHz,，最高可達(dá)16MHz，MCU上帶有3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器,，9個(gè)中斷源,，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)；片內(nèi)帶8K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器,，640字節(jié)FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,，以及256字節(jié)的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)還可擴(kuò)展16M字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器,；低電壓3V或5V供電,，有節(jié)電模式；帶UART和SPI串行接口,；帶看門狗定時(shí)器,。

　　2　管腳說明

　　   ADuC812采用S－52封裝，它的大部分管腳和8051相應(yīng)管腳功能相同,，幾個(gè)主要管腳功能如下：

　　P1口：和8051的P1口功能不同,，它只能作為模擬或數(shù)字信號(hào)的輸入口，而不能作為輸出口,，缺省狀態(tài)為8路模擬信號(hào)輸入端,，要使它們中的某位變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸入腳，應(yīng)向P1口對(duì)應(yīng)的特殊功能寄存器的相應(yīng)位寫入“0”信號(hào),，如果該特殊功能寄存器的相應(yīng)位為“1”,，則該位對(duì)應(yīng)的管腳為模擬信號(hào)輸入腳；

　　DAC0,、DAC1：為兩路D／A轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸出腳,；

　　SS、SCLK,、MOSI,、MISO：為串行設(shè)備接口（SPI）。

　　SS為SPI接口的從屬設(shè)備選擇，在多機(jī)通信中使用,，SCLK為SPI接口時(shí)鐘,，MOSI以及MISO為輸入／輸出數(shù)據(jù)線；

　　D0,、D1：和SPI接口復(fù)用的數(shù)字輸出腳,，通過DCON特殊功能寄存器控制從D0或D1腳輸出數(shù)字信號(hào)；

　　T2：定時(shí)器2數(shù)字信號(hào)輸入腳,；

　　T2EX：數(shù)字輸入腳,，讀取定時(shí)器2的計(jì)數(shù)器或重裝該計(jì)數(shù)器的觸發(fā)腳，負(fù)跳變時(shí)有效,。

　　其它腳的功能和8051相應(yīng)腳的功能相同,。

　　3　使用方法

　　3．1　程序存儲(chǔ)器

　　程序存儲(chǔ)器分為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)含有8K字節(jié)的FLASH可編程程序存儲(chǔ)器,，可滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,，該段程序存儲(chǔ)器可以用兩種方式寫入，一種是通過標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口進(jìn)行串行下載寫入,，當(dāng)PSEN管腳通過外部電阻接地時(shí),，在上電后自動(dòng)進(jìn)入串行下載模式，通過串行口自動(dòng)從外部開發(fā)系統(tǒng)中下載程序,；第二種方式和E2PROM的編程方式相同,，通過編程器進(jìn)行并行寫入。

　　3．2　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

　　ADuC812的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包含三部分,，片內(nèi)640字節(jié)的FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,、256字節(jié)的RAM以及片外可擴(kuò)展到16M字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被分成160頁,，每頁4字節(jié),，通過6個(gè)特殊功能寄存器來進(jìn)行存取，即通過ECON,、EADRL以及EDATA1～4來存取,，EADRL寄存器指定要進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的頁地址，ECON控制寄存器可控制EDATA1～4寄存器和EADRL指定的頁內(nèi)4個(gè)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，而ECON還可控制FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擦除,、校驗(yàn)等操作，它的控制模式如表1所示,?！　?nbsp;

　　外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址范圍為000000H～0FFFFFFH，共有16M字節(jié)地址空間,，低16位地址線的連接和8051單片機(jī)系統(tǒng)中的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址連接方式相同,，高8位的連接方式是復(fù)用P2口,，利用ALE地址鎖存信號(hào)在鎖存P0口的低8位地址信號(hào)的同時(shí)鎖存高8位地址信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)16M字節(jié)地址空間的尋址,。它的數(shù)據(jù)指針和8051單片機(jī)不同,，是由3個(gè)8位寄存器組成，即DPP（頁字節(jié)）,、DPH（高位字節(jié)）,、DPL（低位字節(jié)）。

　　3．3　A／D轉(zhuǎn)換器

　　ADuC812包含一個(gè)8通道單電源12位逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器,，A／D轉(zhuǎn)換器的線性誤差為±1／2 LSB,，轉(zhuǎn)換時(shí)間為5μs，可以提供內(nèi)部2．5V參考電源,，同時(shí)也可以外接從2．5V到AVDD的參考電源,，通過ADCCON1～3三個(gè)特殊功能寄存器來控制A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可保存在ADCDATAH／L二個(gè)特殊功能寄存器中,，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低8位保存在ADCDATAL寄存器中,，而高4位保存在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高四位用來保存采樣的通道號(hào),。如果采樣數(shù)據(jù)較大，如以200kHz的速率對(duì)被輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣,，這時(shí)必須用DMA模式,，將采樣數(shù)據(jù)直接保存在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，采樣結(jié)束后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,。

　　三個(gè)控制寄存器的功能如下,。

　　（1）ADCCON1控制采集和轉(zhuǎn)換時(shí)間以及轉(zhuǎn)換模式,，各位的功能如下：　　 

　　CK1,、CK0選擇主時(shí)鐘分頻系數(shù)，從主時(shí)鐘分頻來產(chǎn)生ADC時(shí)鐘,，CK1－0為00～11,，分別按1、2,、4,、8分頻。

　　AQ1,、AQ0選擇ADC采樣保持時(shí)鐘,，分頻系數(shù)從ADC時(shí)鐘分頻產(chǎn)生，AQ1－0為00～11時(shí)分別按1,、2,、4,、8分頻。

　　T2C：定時(shí)器2溢出觸發(fā)位,，通過置位該位,，可使用定時(shí)器2的溢出信號(hào)作為ADC轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)。

　　EXC：ADC轉(zhuǎn)換外部觸發(fā)使能位,，通過置位該位,，可由外部引腳（CONVST）來觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換。

　?。?）ADCCON2控制通道選擇和轉(zhuǎn)換模式：　　 

　　其中,，ADCI為中斷標(biāo)志位；DMA為DMA模式使能位,；CCONV為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式使能位,；SCONV為單次轉(zhuǎn)換模式使能位；CS3,、CS2,、CS1、CS0為通道選擇位,，用戶通過程序指定須進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的通道,。CS3－0為0000～0111時(shí)指示8個(gè)通道號(hào)，1000時(shí)指示溫度傳感器,，1111為DMA終止信號(hào),，其他情況保留。

　?。?）ADCCON3用于給出ADC狀態(tài)指示位,，只有第7位為BUSY位，其它位保留,，BUSY位為只讀位,，在一個(gè)有效的ADC轉(zhuǎn)換或校驗(yàn)周期中，該位為“1”,，當(dāng)轉(zhuǎn)換或校驗(yàn)結(jié)束后,，該位清“0”。

　　3．4　D／A轉(zhuǎn)換器

　　ADuC812包含兩個(gè)12位的D／A轉(zhuǎn)換器,，每個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器可用于轉(zhuǎn)換12位或8位數(shù)據(jù),，兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器共用一個(gè)控制寄存器DACCON，每個(gè)轉(zhuǎn)換器還有兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器,，實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)在寄存器中是右調(diào)整,，低8位在DACxL寄存器中，高4位在DACxH的低4位中,，控制寄存器DACCON各位

　　的作用如下所示：

　　其中,，MODE用于控制DAC轉(zhuǎn)換的模式,，“1”為8位模式，“0”為12位模式,；RNG1,、RNG0用于輸出范圍控制，“1”為0～VDD,，“0”為0～VREF,；CLR1、CLR0為輸出清除位,，“0”使輸出強(qiáng)迫為0V,，“1”使輸出正常；SYNC為兩通道輸出同步控制位,，為“1”時(shí),，改寫DACxL寄存器，輸出即產(chǎn)生變化,，要使兩通道同步變化,，須在SYNC為“0”時(shí)，更新兩個(gè)通道的DACxL／H寄存器,，然后使SYNC位置“1”,，兩通道同步更新輸出值；PD1,、PD0為節(jié)電模式位,，“0”關(guān)閉相應(yīng)通道的D／A轉(zhuǎn)換，“1”打開D／A轉(zhuǎn)換,。

　　D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓可由DACCON控制寄存器通過軟件選擇VREF或VDD，使輸出電壓范圍分別為0～VREF或0～VDD,，D／A轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間小于15μs,。

　　4　應(yīng)用

　　基于ADuC812的諸多特點(diǎn)，如果加上必要的外部信號(hào)調(diào)理電路,，就可以構(gòu)成一個(gè)完整實(shí)用的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng),，并且系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)非常簡單。

　　圖1是一個(gè)由ADuC812構(gòu)成的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量系統(tǒng),?！　?nbsp;

　　轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，由于不平衡而產(chǎn)生離心力引起擺架系統(tǒng)振動(dòng),，動(dòng)平衡機(jī)通過傳感器將此機(jī)械振動(dòng)量變成電信號(hào),，然后經(jīng)平面分離、衰減和定標(biāo)調(diào)整,、濾波放大等處理電路,，最后由指示儀表進(jìn)行顯示,。動(dòng)平衡機(jī)在平衡轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子的任一平面上有不平衡量,，必然要在左右兩個(gè)支承上同時(shí)引起振動(dòng),，振動(dòng)的大小可以通過左、右兩個(gè)傳感器測(cè)量出來,，設(shè)m1r1和m2r2為左右校正面上的不平衡量,，左校正面上的單位不平衡量在左右兩端引起的振動(dòng)分別為αL1和αR1，右校正面上的單位不平衡量在左右兩端引起的振動(dòng)分別為αL2和αR2,，左右兩端總的振動(dòng)為VL和VR,，如圖2所示，則有,，　　

　　式中,，Δ＝αL1αR2－αR1αL2是方程組的系數(shù)行列式，如果通過分壓電路,，將右端的振動(dòng)量取出和左端的振動(dòng)量相減,，則左端的不平衡量m1r1只與左端的振動(dòng)VL有關(guān)，只是與左端不平衡量大小有關(guān)的一個(gè)標(biāo)量,，通過定標(biāo)設(shè)定可以補(bǔ)償它們,。這樣就消除了右端的不平衡量對(duì)左端的影響，同樣也可以消除左端的不平衡量對(duì)右端的影響,，通過信號(hào)調(diào)理電路,，可完成對(duì)信號(hào)的衰減控制、平面分離,、信號(hào)放大以及電平的偏置,，使輸出信號(hào)既包含交流的振動(dòng)信號(hào)，又包含直流的偏置電平,。因A／D轉(zhuǎn)換電路是單電源器件,，只能轉(zhuǎn)換0～VREF的正電壓，不能轉(zhuǎn)換負(fù)電壓,，通過信號(hào)調(diào)理電路后的振動(dòng)信號(hào)在經(jīng)過相敏檢波后,，輸出的是正的直流電壓，滿足A／D轉(zhuǎn)換的要求,。

　　經(jīng)過R00和R900相敏檢波,，可將右端的振動(dòng)信號(hào)VR在00和900方向上進(jìn)行分解，設(shè)分別為VR0和VR90,，而經(jīng)過L00和L900相敏檢波,，可將左端的振動(dòng)信號(hào)VL在00和900方向上進(jìn)行分解，設(shè)分別為VL0和VL90,，則左右兩端的振動(dòng)的幅值分別為：　　

　　因此,，相敏檢波后,，得到了左右兩端兩個(gè)相位差為90°的分量，對(duì)它們進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后,，由MCU分別計(jì)算左右兩端的幅值和相角,，振動(dòng)的幅值｜VL｜和｜VR｜反映了左右兩端振動(dòng)的大小，通過｜VL｜和｜VR｜的計(jì)算,，可解算出左右兩端不平衡量的大小,，而振動(dòng)的相位ΦL和ΦR反映了不平衡量所處的位置，相角的計(jì)算可求出不平衡量所在的相位,，指示出重點(diǎn)或輕點(diǎn)的相位位置,。

　　轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速由外部中斷0腳控制定時(shí)／計(jì)數(shù)器0的計(jì)時(shí)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，由8051的定時(shí)／計(jì)數(shù)器在工作方式0和方式1的結(jié)構(gòu)可看出,，當(dāng)TCON的TR0位為1,，TMOD的GATE位為1，且T0工作于定時(shí)方式時(shí),，內(nèi)部振蕩信號(hào)經(jīng)過12分頻后給T0提供時(shí)鐘信號(hào),，T0計(jì)數(shù)與否與外部中斷0的電平高低有關(guān)，如果INT0＝0,，T0不計(jì)數(shù),，如果INT0＝1，T0開始計(jì)數(shù),，這樣就可測(cè)量脈沖寬度,，通過光電頭將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)后再2分頻，得到頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一半的方波信號(hào),，通過方波信號(hào)的高電平去控制T0的計(jì)數(shù),，該數(shù)值為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期，由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)周期可得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速大小,。

　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及不平衡量的計(jì)算通過外部中斷0完成,，光電頭產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)2分頻后，得到頻率為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率一半的方波信號(hào),，該信號(hào)加到INT0上，將外部中斷0設(shè)置成邊緣觸發(fā),，在每個(gè)方波的下降沿產(chǎn)生中斷,，MCU讀取TL0和TH0寄存器值，并將TL0和TH0清零,，開始下一次計(jì)時(shí),，然后根據(jù)TL0和TH0的數(shù)值，計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,，并根據(jù)TL0和TH0中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)周期值的四分之一配置定時(shí)／計(jì)數(shù)器1的TL1和TH1,，定時(shí)／計(jì)數(shù)器1工作于定時(shí)方式,，通過定時(shí)／計(jì)數(shù)器1的中斷由兩路DAC產(chǎn)生相位差為90°兩路方波信號(hào)，用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的相敏檢波,，MCU對(duì)ADC0～ADC3進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換,，計(jì)算左右兩平面的不平衡量的大小和相位，然后將轉(zhuǎn)速及不平衡量的大小和相位送8279進(jìn)行顯示,。不平衡量測(cè)量的流程圖如圖3所示,。該系統(tǒng)用于一臺(tái)渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡機(jī)的改造，收到了預(yù)期的效果,。