摘  要: ADμC812是一种新型的高度集成的12位数据采集系统,它在单个芯片内包含了高性能的自校准多通道ADC、两个12位的DAC以及可编程的8位MCU(与8051兼容)。与MCS51系列单片机相似,它有P0～P3四个端口,其中P1口可实现多种功能,例如多通道的ADC、通用输入端口和用于特殊功能的输入控制等。介绍了ADμC812的P1口的结构原理和应用。

　　关键词: 端口  A/D转换  定时器  SPI串口

1 ADμC812的通用数据端口

　　ADμC812是一种新型的高度集成的高精度12位数据采集系统。在其片内,不仅包含了可重新编程的非易失性闪速/电擦除程序存储器的高性能8位(与8051兼容)MCU,还包含了高性能的自校准多通道(8个输入通道)ADC,两个12位DAC。ADμC812微控制器内核与8051指令集兼容,具有9个中断源(2个优先级)。片内还集成了8K字节的闪速/电擦除程序存储器、640字节的闪速/电擦除数据存储器以及256字节RAM。

　　ADμC812共有52个管脚,使用4个通用数据端口P0~P3与外部器件进行数据交换。每一个I/O口都有自己不同的驱动执行电路。除端口1之外都是8位双向端口。端口1的操作是ADμC812特有的,表1说明了P1口可复用的管脚功能。

　　所有端口均包含位锁存器和输入缓冲器,I/O双向端口还包含了输出驱动器。由于P1口没有输出驱动器,所以P1口只能是输入端口,只能被配置为数字输入或模拟输入,不能用于输出,如图1所示。ADμC812的P1口通常用于模拟输入;当不用于模拟输入时,可将0写至端口值,这样就被设置为数字输入方式。

2 P1口的各种功能与应用

　　P1口的主要功能是ADC的模拟输入,另外还可用于一些控制输入、定时器2和计数器2的数字输入以及SPI从属选择输入等。

2.1 模/数转换输入

　　ADμC812中的ADC转换块包含了8通道、12位、单电源A/D转换器。此模块为用户提供了多通道多路转换器、跟踪/保持、片内基准、校准特性。此模块内的所有部件都能方便地通过3个寄存器SFR接口来设置。

　　A/D转换器由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成。转换器接收的模拟输入范围为0至+V_REF。片内提供高精度、低漂移并经工厂校准的2.5V基准电压。内部基准可经外部V_REF引脚过驱动。外部基准在2.3V至A_VDD的范围内。

　　ADμC812装有工厂编程的校准系数,它在上电时自动下载到ADC,以确保最佳的ADC性能。ADC核包括内部失调和增益校准寄存器,所提供的软件校准子程序可允许用户在需要时重写工厂编程的校准系数,以便使用户目标系统中端点误差的影响为最小。

　　来自片内温度传感器的电压输出正比于绝对温度,它也可向前端ADC多路转换器(实际上是第9个ADC通道输入)传送。

2.1.1 ADC转移函数

　　ADC的模拟输入范围是0V至VREF。在此范围内,设计的代码跳变发生在连续的整数LSB值的中间。当V_REF=2.5V时,输出码是直接的二进制数,1LSB=FS/4096或2.5V/4096=0.61mV。在0至VREF范围内理想的输入/输出转移特性如图2所示。

2.1.2 SFR至ADC块的接口

　　ADμC812中ADC的工作完全由3个SFR控制,它们分别是ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3。

2.1.2.1 ADCCON1——ADC控制SFR#1

　　ADCCON1寄存器控制转换和采集时间、硬件转换模式以及掉电模式。详述如下:

　　ADCCON1 SFR位的说明如表2所示。

2.1.2.2 ADCCON2——ADC控制SFR#2

　　ADCCON2寄存器控制ADC通道选择和转换模式。详述如下:

　　ADCCON2 SFR位说明如表3所示。

2.1.2.3 ADCCON3——ADC控制SFR#3

　　ADCCON3寄存器中只有一位有效,它给出ADC忙状态的指示。详述如下:

　　ADCCON3 SFR位的说明如表4所示。

2.1.3 ADC工作模式

　　通过设置ADCCON1和ADCCON2两个寄存器,可使ADC处于三种不同的工作模式:一种是单步转换模式,一种是连续转换模式,还有一种是DMA工作模式。用软件或通过把转换信号加至外部引脚23(CONVST)可以启动单步或连续转换模式,同时还可设置定时器2的溢出位,用作ADC转换起始触发脉冲输入。

　　DMA工作模式与其他两种工作模式有显著不同,若配置ADC工作在DMA工作模式,则ADC块将进行连续转换并把采样值捕获到外部RAM空间,而不需要来自MCU核的任何干预,这种自动捕获功能可以扩展到16M字节的外部数据存储器空间。值得注意的是,若工作于DMA工作模式,将要求用户在中断服务子程序中用5μs的时间完成中断服务、读ADC结果并为进一步的后续处理存储结果,否则下一次ADC采样可能会丢失。这一限制条件是由于ADμC812已把片内ADC设计成能运行在每5μs采样一次的最高速度(即200kHz采样速率)。因此,在要求其他中断速率的应用中,不能使用ADC DMA工作模式。

　　现以我们研制的家用心电图机为例,说明ADC的使用方法与功能实现。在该心电图机中,ADC0用于心电信号的模拟输入,将2.5V参考电压接至VREF,由于人体心电信号在0.5mV～4mV,典型值在1mV左右,需经过500倍的放大,落在ADC输入电压0～2.5V范围之内。因此,心电信号经过LM324放大、滤波后输入ADC0,进行A/D转换,得到数字量以进行显示、存储、发送、打印等功能。在这里,A/D转换后的12位数字量,最小可分辨的信号是0.6mV。对于最小的心电信号0.5mV,经放大后为0.25V,对于最大的心电信号4mV,经放大后为2V,均在ADC的输入范围之内。

　　心电图机使用电池作为电源,当电池电压不足时需要提醒用户更新电池。电源电压为+5V,所以不能直接接至ADC的输入端。电源电压要经过分压电路进行分压,使分压的电压在ADC的输入范围之内。ADC1用于电源电压分压后的模拟输入,进而监测电源电压的变化,当电源电压低于一定值时蜂鸣器报警,同时液晶显示提醒用户更换电池。若电源电压低于4.5V时报警,则分压后为1.5V,当ADC1的输入低于1.5V(0999H)时则启动报警系统。

　　下面是利用ADC0采集心电信号的部分程序,ADC首先要初始化,即送适当的控制字,根据前面介绍的ADC的SFR,选择适当的SFR值。

　　由于ADC0作为心电信号的模拟输入,选择ADCCON1可使ADC正常工作,ADC时钟分频比为2。由于LM324输出阻抗远远小于8kΩ,所以选择ADC采集时钟1,得到ADCCON1=50H。选择通道0,可利用ADCCON2的默认值00H。

　　由于ADC1作为电源监测的模拟输入,选择ADCCON1可使ADC正常工作,ADC时钟分频比为2。由于电源阻抗远远小于8kΩ,所以选择ADC采集时钟1,得到ADCCON1=50H。选择通道1,ADCCON2=01H。

　　在下面程序中,堆栈设置在60H,利用定时器0中断后执行采样程序,选取采样频率为200Hz,因而定时器0的定时值为TL0=3CH,TH0=F6H。由于启动单个转换周期完成一次A/D转换需要16×2+1=33个ADμC812主时钟,程序中一次延时循环为2个主时钟,因而在采样程序中利用R0=16作为单个转换周期,延时36个主时钟,以完成一次采样后的A/D转换。ADCDATAL为A/D转换低8位,ADCDATAH为A/D转换高4位;R1、R2用于存放12位A/D转换结果,设置00H位作为采样结束标志位。

＄MOD812

CSEG

              ORG 00H

              LJMP MAIN

;— — — — — — 

              ORG 000BH 

DT0:MOV TL0,#3CH        　　　　　　　　　　　　 ;定时器送初值 

               MOV TH0,#0F6H 

               PUSH PSW    　　　　　            ;现场保护 

               PUSH ACC 

               SETB SCONV           　　　　　　 ;ADC开始单个转换周期 

               MOV R0,#10H                       ;转换延时 

               DJNZ R0,＄ 

               MOV R1,ADCDATAL                   ;采样值低8位送内部RAM:R1 

               MOV R2,ADCDATAH                   ;采样值高4位送内部RAM:R2 

               POP ACC                           ;弹出保护现场信息 

               POP PSW 

               SETB 00H                          ;置标志位00H,代表采样结束 

               RETI                              ;中断返回 

;— — — — — — 

MAIN:MOV SP,#60H                                 ;设置堆栈 

INIAL:MOV TL0,#3CH                               ;第一次定时器0的定时值 

              MOV TH0,#0F6H 

              SETB EA                            ;开中断使能 

              SETB ET0                           ;开定时器0中断允许 

              SETB TR0                           ;开定时器0 

              MOV ADCCON1,#50H                   ;送ADCCON1 

              · 

              · 

              · 

2.2 按键控制 

　　当不需要使用ADμC812的ADC的全部8个通道时,剩余的ADC输入可用作数字输入端。例如,我们将P1口中的几位用于按键控制的输入端口,此时要先将0写至端口值。需要注意的是,ADμC812的P1口用作按键时是高电平有效,在没有按键输入时,P1口应保持低电平,因此在用作按键的P1口应加下拉电阻(即P1.3～P1.7在没有输入时为低电平),阻值一般为几千欧。在前面的例子中,按键分别连接到P1.3～P1.7,它们通过2kΩ的下拉电阻接至地;插座的第6脚接高电平VCC,用于触发按键。当有键按下时,P1.3～P1.7中的相应位接至高电平V_CC,这样就给出了按键信息。通过上面的程序就可以进行判断并执行相应的按键功能,并且采用防抖方法来提高可靠性,具体程序如下:

KEY：ANL P1，#07H         ；将所有的端口置0

　   MOV A，P1            ；读P1口值到A

  　 ANL A,#0F8H          ；判断P1.3～P1.7哪一位为1

     JZ KEY               ；如果没有按键返回继续判断 

     PUSH ACC 　　　　　　；如果有按键保存按键信息放入累加器中

KEY 5: LCALL T100M        ；调100ms延时(防抖)

       ANL P1,#07H        ；再次读取按键信息

       MOV A,P1

       ANL A,#0F8H

       JNZ KEY5           ；不为0说明按键结束

       POP ACC            ；弹出按键信息

                          ；下面是判断按键的程序:

TKEY:JB ACC.3，#FUN1      ；若ACC.3为1,执行FUN1

  　　JB ACC.4,#FUN2      ；若ACC.4为1,执行FUN2

  　　JB ACC,5,#FUN3  　　；若ACC.5为1,执行FUN3

 　　 JB ACC,6,#FUN4  　　；若ACC.6为1,执行FUN4

 　　 LJMP #FUN5          ；若ACC.7为1,执行FUN5

　　　RET

2.3 定时器和计数器的数字输入

　　ADμC812具有3个16位的定时器/计数器,即定时器0、定时器1和定时器2。定时器/计数器硬件已包含在片内,用以减轻用软件实现定时器/计数器功能时,处理期内核固有的负担。每一个定时器/计数器包含两个8位寄存器THx和TLx(x=0、1、2)。所有3个定时器/计数器均可配置成定时器或事件计数器。

　　在定时器功能中,每个机器周期TLx寄存器增量。因此可以把它看作对机器周期计数。在计数器功能中,TLx寄存器根据其对应的外部输入引脚T0、T1或T0上的1至0的跳变增量。

　　在P1口中,T2是定时器2数字输入,输入至定时器/计数器2。当被使能时,对应于T2输入的1至0的跳变,计数器2增量。T2EX是数字输入,计数器2 Capture/Reload(捕获/重载)触发并用作计数器2 Up/Down(上/下)控制输入。在ADCCON1.1中,T2C设置定时器2转换位,可把定时器2的溢出位用作ADC转换起始触发脉冲输入。

　　由于ADμC812与8051有兼容的内核,因而ADμC812定时器2的原理与功能可简单地概括如下:

　　ADμC812中的定时器/计数器2是一个具有16位自动重装载或捕获能力的定时器/计数器,T2CON是它的专用控制寄存器,如图3所示。在定时器和计数器工作方式下,都可以通过T2CON中的控制位CP/来选择捕获能力或重载能力。TH2和TL2内容的捕获或自动重载是通过一对捕获/重载寄存器RCAP2H和RCAP2L实现的。当CP/=0时,选择自动重装载功能,即把RCAP2H和RCAP2L的数据自动转入TH2和TL2;当C/=1时,选择捕获功能,数据传送方向恰与上述方向相反。

　　捕获或重载发生于下面两种情况:

　　(1)定时器2的寄存器TH2和TL2溢出时,若

　　CP/RL2=0,则打开重装载的三态缓冲器,把RCAP2H和RCAP2L的数据自动转入TH2和TL2中,同时溢出标志位置1,申请中断。

　　(2)当EXEN2=1且T2EX端的信号有负跳变时,CP/是0还是1,将发生捕获操作或重载操作,同时标志位EXF2置1,申请中断。例如,利用定时器2测量周期如图4所示。

     通过下面程序的运行,定时器2的TL2、TH2定时值就是周期T的值。

     MOV TL2,#0

     MOV TH2,#0

     JNB P1.0，＄

     SETB TR2

     JB P1.0，＄

     JNB P1.0，＄

     CLR TR2

2.4 SPI串口选择输入

　　ADμC812提供了三种串行I/O端口:UART接口、I²C兼容的串行接口和串行外设接口(SPI)。其中,SPI接口是工业标准的同步串行接口,是一种全双工、三线通讯的接口,它允许MCU与各种外围设备以串行方式(8位数据同时同步地被发送和接收)进行通信。主时钟可以编程为不同的状态,既可编程为四种不同主波特率中的任一种,又可对时钟的极性和相位进行编程。SPI也可用于那些需要比微控制器上的并行I/O端口更多输入端或输出端的场合,因而提供了一种只需使用最少的微控制器引脚的扩展I/O功能的最简单办法。

　　SPI系统通过使用4条线与多种标准外围器件直接接口:串行时钟线SCLOCK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS(其中SS在P1口中)。

　　由于ADμC812中的SPI串口有主模式和从模式两种工作模式,因此系统可配置为主(Master)操作或从(Slave)操作。在用户系统中,ADμC812既可作为主MCU,也可作为从MCU。在主模式下,伴随每一位数据的发送/接收发送一次时钟,此时ADμC812作为主机控制数据向从外围器件传送。而在从模式下,每一位数据都是在接收到时钟信号之后才发送/接收,SPI总线可在软件的控制下构成各种简单或复杂的系统。例如:1个主MCU和几个从MCU;几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统);1个主MCU和1个或几个从I/O设备。在大多数应用场合中,使用1个MCU作为主机,控制数据向1个或多个从外围器件传送。从器件只能在主机发命令下才能接收或向主机传送数据。其数据的传输格式是高位(MSB)在前,低位(LSB)在后。

　　SS作为从单片机的SPI输入端,是ADμC812特有的功能,通过SS将主单片机中的数据传送到从单片机,从而实现主单片机对从单片机的信息传送。

　　ADμC812的P1口兼容了MCS51系列单片机的功能,而且又有着自己独特的多种其它可实现的功能。这样,在一片单片机上利用P1口可以实现尽可能多的功能。

参考文献

1 Analog Devices Inc.MicroConverterTM，Multichannel 12-Bit ADC with Embedded FLASH MCU ADμC812.Ver 2.0

September,1999

2 ADμC812 User＇s Manual.Analog Devices Inc. 2000

3 孙涵芳,徐爱卿.单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,1988.2