面向信號處理過程的ADC特性使傳感器連接變得簡單

Microchip Technology Inc.
MCU8 產(chǎn)品部市場推廣經(jīng)理
Paul Zhang張榮寶

單片機(jī)（MCU）和傳感器測控系統(tǒng)中，經(jīng)常遇到需要模擬量傳感器輸入的情況。 這種輸入的模擬量，需要由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器外設(shè)，簡稱ADC，來轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量后再由CPU進(jìn)行處理。近年來，隨著智能傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的發(fā)展， MCU和傳感器連接的系統(tǒng)應(yīng)用也越來越廣泛。比如在目前全球研究最多的新興市場之一――物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中，傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重要入口， 正在成為電子基礎(chǔ)設(shè)施向物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)變的無處不在的元素。據(jù)中國信息通信研究院2020年12月發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》，預(yù)計到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)規(guī)模將從2019年的120億增長到246億，年復(fù)合增長率高達(dá)13%。 我國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)全球占比高達(dá)30%，2019年我國的物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)36.3億，到2025年預(yù)計我們物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)到80.1億，年復(fù)合增長率14.1（來源：中國信息通信研究院）。

對于MCU中集成的用于連接模擬傳感器的ADC，設(shè)計者在以往的努力多在于提高其采樣速度和量化的性能指標(biāo)，比如提高ADC的分辨率（精度），減少誤差（量化誤差、偏移誤差和滿刻度誤差等），提高轉(zhuǎn)換率來采集更高頻率的輸入等等，而現(xiàn)在的集成ADC的新特性，除了提高以上性能參數(shù)，則更是考慮了ADC在系統(tǒng)中的應(yīng)用場景和信號處理過程。

對于模擬信號的輸入，單片機(jī)系統(tǒng)典型的處理過程如下所示：

針對這種典型的模擬信號處理過程，MCU設(shè)計者對ADC外設(shè)創(chuàng)新地賦予了新的特性，以使其連接傳感器更為高效。

1. 獨(dú)立于內(nèi)核的事件機(jī)制――聯(lián)動其他外設(shè)，自動觸發(fā)ADC啟動

在模擬信號采樣階段， 簡便的方式就是沖激串采樣――通過一個周期沖激串去乘待采樣的連續(xù)時間信號。 在MCU中，需要通過定時器來設(shè)定采樣周期T。在傳統(tǒng)的處理方式中，CPU要么響應(yīng)定時器產(chǎn)生的周期性中斷，要么輪詢定時器計數(shù)器的溢出標(biāo)志，來啟動ADC。

新的ADC觸發(fā)方式則是采用了事件機(jī)制，它提供了一個完全由硬件自動完成的觸發(fā)到ADC產(chǎn)生響應(yīng)的通道。 在沒有任何CPU干預(yù)的情況下精確控制ADC的采樣周期。這種機(jī)制節(jié)省了中斷資源， 無需軟件的參與，提高了ADC的響應(yīng)速度。下圖為AVR?單片機(jī)事件系統(tǒng)的示意圖。

圖1： AVR?單片機(jī)中的事件系統(tǒng)圖示

這種硬件上的聯(lián)動響應(yīng)，更為迅速直接。因?yàn)椴恍枰狢PU干預(yù)，也減少了不必要的中斷或喚醒，即使在CPU處于某種休眠狀態(tài)下，該觸發(fā)機(jī)制仍可以在低功耗的情況下運(yùn)行。當(dāng)然除了用于觸發(fā)ADC之外，這種事件機(jī)制還可以用于其他外設(shè)的聯(lián)動。

2. 帶有計算功能的ADC――對轉(zhuǎn)換結(jié)果自動進(jìn)行計算處理

ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，被用來做某種類型的計算或分析。比如驗(yàn)證結(jié)果是否在一定的范圍內(nèi)或者用來濾除信號中的噪聲。盡管用來濾波的軟件算法都比較成熟，比如中值濾波、算數(shù)平均濾波和滑動平均濾波等，但是無論是什么樣的軟件算法，它們都是需要較大的RAM空間和CPU運(yùn)算資源。首先在系統(tǒng)的RAM區(qū)保留一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)換值，然后對這些轉(zhuǎn)換值進(jìn)行分析、濾波，并進(jìn)行處理。而在MCU系統(tǒng)中，RAM空間都是很有限的，而且軟件濾波算法的運(yùn)行，需要消耗CPU的能力和時間，導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)換數(shù)值的濾波系統(tǒng)運(yùn)行效率不高。

創(chuàng)新的ADC設(shè)計，使得ADC自身具有轉(zhuǎn)換后的計算功能，可以對ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，而無需CPU干預(yù)。使用這種具有運(yùn)算能力的智能ADC， 在轉(zhuǎn)換完成后， 結(jié)果可以通過預(yù)定的計算功能來傳遞，將不需要編寫代碼來查看ADC結(jié)果是否落在某個窗口之內(nèi)或之外，也可以直接獲取ADC平均樣本值或者濾波器樣本數(shù)據(jù)值等。這種計算由ADC外設(shè)本身執(zhí)行，加速了通常由軟件完成的算術(shù)任務(wù)，不再需要占用CPU資源和額外的RAM緩沖空間。例如，如下圖PIC? Q10系列MCU上ADC的計算功能簡化框圖所示， 可以通過配置ADC的ADMD位來控制ADC計算模塊以選擇五種不同的操作模式之一：基本模式、累加模式、平均模式、突發(fā)平均模式和低通濾波器模式等。

圖 2： PIC? Q10單片機(jī)中的ADC計算模塊框圖

自動上下文保存――使ADC通道切換應(yīng)用自如

在傳感器系統(tǒng)應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到多個模擬輸入通道共用一個內(nèi)部ADC硬件的情況。 比如在一個環(huán)境檢測系統(tǒng)中， 溫度、濕度、氣壓和光線強(qiáng)度等傳感器的模擬輸入將會使用同一個ADC（同一個采樣保持電路）的不同通道。ADC通過切換各個通道，分時進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。對于復(fù)用ADC的模擬輸入，每個通道的控制方式，都可能是不同的，比如狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器配置和轉(zhuǎn)換后的計算方式等等。例如，通道一將ADC配置為突發(fā)平均模式，通道二將ADC配置為累加模式……不同通道的獨(dú)特控制方式，使得ADC在切換通道時需要附加軟件開銷，比如首先停止ADC，按照ADC采集通道的預(yù)定順序找到相應(yīng)的狀態(tài)和寄存器，重新配置對應(yīng)的控制方式，再啟動ADC…，運(yùn)行過程中的頻繁切換無疑降低了ADC的運(yùn)行效率。

解決這一問題的最新ADC特性，是把每個通道的特定轉(zhuǎn)換控制方式，按照預(yù)定采集順序，保存為上下文。該上下文只能通過A/D上下文選擇寄存器，或者直接存儲器訪問（DMA）。這樣ADC運(yùn)行時，ADC硬件模塊會自動從內(nèi)存中傳輸當(dāng)前活動通道的上下文，進(jìn)入相關(guān)的ADC寄存器并執(zhí)行所需的轉(zhuǎn)換。這樣就顯著提高了ADC切換通道采集數(shù)據(jù)的效率，也不占用CPU資源。有趣的是，Microchip將帶有運(yùn)算特性的ADC稱為ADCC （ADC with Computation），而將又帶有上下文保存特性的ADCC稱為ADCCC （ADC with Computation and Context）。

單片機(jī)和傳感器連接的應(yīng)用越來越多，幸運(yùn)的是，MCU設(shè)計者一直在擴(kuò)展其MCU外設(shè)的功能。 類似ADC上這些新功能的創(chuàng)新，已不僅僅在其自身轉(zhuǎn)換方面，而是實(shí)現(xiàn)了與其他外設(shè)聯(lián)動啟動采樣，轉(zhuǎn)換后的計算，以及多個復(fù)用通道的自動切換等，集成了針對模擬信號處理鏈路上的多個環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)可以自動運(yùn)行，不占用系統(tǒng)總線，這對降低CPU負(fù)載，降低系統(tǒng)功耗，增強(qiáng)系統(tǒng)響應(yīng)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)健壯性等都有非常大的意義。單片機(jī)設(shè)計者們以其創(chuàng)新性的智慧，以及對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用細(xì)致入微的洞察，將會使得MCU和傳感器的連接應(yīng)用設(shè)計，越來越靈活，越來越高效！

審核編輯：湯梓紅