YTM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC外設(shè)模塊詳解

簡介

YTM32的ADC轉(zhuǎn)換器外設(shè)最多可以集成32個輸入通道，最高12b轉(zhuǎn)換精度，最快可以支持2M Sps的12b采樣。ADC轉(zhuǎn)換器外設(shè)內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)，如圖x所示，包括ADC輸入通道復(fù)用器、ADC轉(zhuǎn)換器、FIFO等。

圖x ADC外設(shè)模塊框圖

YTM32B1ME上集成了兩個ADC轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器實際僅對外開放了24個輸入通道，并且ADC0還在芯片內(nèi)部綁定了若干采樣點（所謂的external channel）。如圖x所示。

圖x ADC在芯片內(nèi)部綁定的采樣信號

ADC作為一個模擬外設(shè)，通常會使用兩個時鐘源：使用總線時鐘驅(qū)動數(shù)字部分的電路，例如通過總線訪問寄存器等；通過功能時鐘驅(qū)動模擬部分的ADC轉(zhuǎn)換器工作。如圖x所示。

圖x ADC外設(shè)的總線時鐘和功能時鐘

這里有兩個要點：

• 通過IPC可以選擇ADC轉(zhuǎn)換器的輸入時鐘源。實際上，ADC的模擬電路部分也不一定能消化掉來自于IPC的時鐘源，內(nèi)部還專門設(shè)計的分頻器。模擬電路對頻率敏感，因此特定的電路也會要求能夠處理的頻率信號在一定范圍內(nèi)。YTM32的ADC轉(zhuǎn)換器最高可以使用16MHz的時鐘信號作為ADC轉(zhuǎn)換器的時鐘源。
• 模擬和數(shù)字部分在交換數(shù)據(jù)時，需要處理同步（同支持高頻率的定時器）。

ADC采樣的時序，通常包含采樣（Sampling）和保持（Holding）兩個階段，如圖x所示。采樣和保持在ADC的時鐘驅(qū)動下工作，時間越長，采樣的結(jié)果越接近真實值，但速度也會變慢。若用戶需要使用更快的采樣速度，只要提高ADC轉(zhuǎn)換時鐘和縮短采樣保持階段的時間即可，但產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換結(jié)果就可能損失一些準(zhǔn)確度了。

圖x ADC轉(zhuǎn)換中的采樣保持時間

YTM32的ADC外設(shè)，為了有效地使用電能，將ADC轉(zhuǎn)換器上電和掉電的控制接口也開放給用戶了。要知道，ADC作為一個模擬外設(shè)，是個耗電大戶（另一個耗電大戶是PLL），如果在不需要執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換任務(wù)的階段停電，可能有效減少功耗，也能控制芯片的發(fā)熱。但是，ADC上電和下電過程，也都是需要一定時間的，上電過程需要等待供電穩(wěn)定后才能啟動ADC轉(zhuǎn)換任務(wù)，ADC需要把正在執(zhí)行的任務(wù)執(zhí)行完畢，清理好工作現(xiàn)場之后才能順利下電。這些時間，都將會在使用ADC轉(zhuǎn)換器的過程中由用戶配置。

原理與機(jī)制

ADC轉(zhuǎn)換器的上下電和省電模式

MCU上電后，軟件通過IPC模塊，為ADC外設(shè)模塊開放了總線時鐘供應(yīng)，但此時，ADC轉(zhuǎn)換器的供電還沒有加上，ADC外設(shè)模塊處于掉電模式（Off State，power-down mode）。若要啟用ADC轉(zhuǎn)換器，需由用戶先設(shè)定ADC_CTRL[ADEN]=1，開始為ADC轉(zhuǎn)換器供電，待t_startup（約2us）后，ADC轉(zhuǎn)換器供電穩(wěn)定，硬件置寄存器位ADC_CTRL[ADRDY]=1，告知用戶可以啟動轉(zhuǎn)換。此時請求ADC開始轉(zhuǎn)換，軟件觸發(fā)設(shè)定寄存器ADC_CTRL[ADSTART]=1，才正式啟動ADC轉(zhuǎn)換。如圖x所示。

圖x ADC轉(zhuǎn)換器的信號時序

注意，圖x中的ADSTART信號在ADRDY之前置位，同前文講述等待ADRDY置位后才拉起ADSTART不同。這展示了一種典型的情況：ADSTART只是請求不是命令，只有當(dāng)ADRDY置位之后，ADC轉(zhuǎn)換器才能啟動。

ADC_CTRL[ADDIS]=1可以直接給ADC轉(zhuǎn)換器斷電。但為了確保ADC內(nèi)部的狀態(tài)機(jī)不會被打亂，建議先通過ADC_CTRL[ADSTOP]=1請求停止轉(zhuǎn)換任務(wù)，在確保ADC轉(zhuǎn)換器已經(jīng)不再執(zhí)行任何轉(zhuǎn)換任務(wù)后，再給ADC轉(zhuǎn)換器斷電。

關(guān)于給ADC轉(zhuǎn)換器斷電的操作，YTM32的ADC外設(shè)還設(shè)計了一些“自動化”的供電管理機(jī)制，自動斷電Auto-Off模式，對應(yīng)寄存器開關(guān)ADC_CFG0[AUTOOFF]。

• 默認(rèn)未啟動自動斷電模式時，用戶一為ADC轉(zhuǎn)換器建立穩(wěn)定的供電后，若無人為停用，則對ADC轉(zhuǎn)換器持續(xù)供電。下次啟動轉(zhuǎn)換也不需要等上電穩(wěn)定。
• 若啟用自動斷電模式，則一旦ADC轉(zhuǎn)換器閑下來就自動斷電，在下次轉(zhuǎn)換任務(wù)的觸發(fā)信號到來時可自動喚醒恢復(fù)供電。此時，每次啟動轉(zhuǎn)換任務(wù)，ADC轉(zhuǎn)換器都要等上電穩(wěn)定（t_startup）后再啟動轉(zhuǎn)換。這個模式下，原本硬件反饋供電穩(wěn)定的ADC_CTRL[ADRDY]標(biāo)志位將不再起作用（置位）。

啟用自動斷電模式后，執(zhí)行每次轉(zhuǎn)換任務(wù)之前，都需要重新等待供電穩(wěn)定的時間t_startup，這無疑影響了ADC的連續(xù)轉(zhuǎn)換速率。但大多數(shù)情況下，應(yīng)用對連續(xù)轉(zhuǎn)換速率沒有特別高的要求，使用啟動斷電模式可以在簡化用戶操作的前提下（不需要人工上電斷電），有效降低ADC轉(zhuǎn)換器的動態(tài)功耗。

ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果和FIFO

ADC外設(shè)內(nèi)部設(shè)計了一個32-bit x 16 的FIFO，按照轉(zhuǎn)換完成的順序，依次存入轉(zhuǎn)換完成的結(jié)果。用戶從寄存器ADC_FIFO作為讀FIFO的入口，可以依次讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

FIFO中的數(shù)據(jù)單元包含轉(zhuǎn)換結(jié)果對應(yīng)的通道ADC_FIFO[CHID]和轉(zhuǎn)換數(shù)值ADC_FIFO[DATA]，無論設(shè)定的轉(zhuǎn)換分辨率（ADC_CFG[RES]）是多少，數(shù)值固定右對齊的。如圖x所示。

ADC FIFO中的轉(zhuǎn)換結(jié)果

當(dāng)FIFO填滿了未能及時讀走的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，ADC外設(shè)設(shè)計了兩種機(jī)制處理后來的數(shù)據(jù)，一種是Overrun Mode，另一個是Wait Mode：

• Overrun Mode描述的是，當(dāng)新的轉(zhuǎn)換結(jié)果到來時，是覆蓋FIFO中最近一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，還是直接拋棄掉新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。由寄存器ADC_CFG0[OVRMD]控制啟用。
• Wait Mode描述的是，當(dāng)FIFO滿的時候，直接給ADC轉(zhuǎn)換器斷電（類似于Auto-Off模式）。只有當(dāng)FIFO有空位的時候，才能給ADC轉(zhuǎn)換器供電。由寄存器ADC_CFG0[WAIT]控制啟用。

ADC轉(zhuǎn)換隊列的工作模式

ADC的轉(zhuǎn)換過程，是由多個單通道的轉(zhuǎn)換任務(wù)串起來的轉(zhuǎn)換隊列，由寄存器字段ADC_CFG0[SEQLEN]由觸發(fā)信號驅(qū)動執(zhí)行轉(zhuǎn)換過程。YTM32的ADC外設(shè)模塊中，設(shè)計了多種觸發(fā)機(jī)制，以不同的節(jié)奏執(zhí)行轉(zhuǎn)換隊列中的轉(zhuǎn)換任務(wù)。通過配置寄存器位ADC_CFG0[DISCEN]和ADC_CFG0[CONT]，對應(yīng)有Single模式、Continuou模式和Discontinuous模式。

表x ADC轉(zhuǎn)換隊列的工作模式

圖x ADC轉(zhuǎn)換隊列的工作模式

ADC轉(zhuǎn)換器的觸發(fā)信號

ADC外設(shè)模塊可以捕獲軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)信號（一個上升沿脈沖信號），以啟動轉(zhuǎn)換任務(wù)。觸發(fā)信號無論是來自于軟件觸發(fā)還是硬件觸發(fā)，對于啟動轉(zhuǎn)換的作用是完全相同的，但ADC僅允許使用其中一種觸發(fā)模式，由寄存器ADC_CFG0[TRIGMD]選定。

• 當(dāng)ADC_CFG0[TRIGMD]=0，軟件觸發(fā)可由用戶寫寄存器ADC_CTRL[ADCSTART]=1產(chǎn)生。
• 當(dāng)ADC_CFG0[TRIGMD]=1，還需要設(shè)定寄存器ADC_CTRL[ADCSTART]=1解鎖硬件觸發(fā)信號（同步），硬件觸發(fā)的信號可以來自于芯片上的其它外設(shè)模塊。

硬件觸發(fā)信號大多來自于TMU（Trigger Multiplexer Module）或者PTU模塊（Programmable Trigger Unit），可以通過CIM（Chip Integration Module）模塊的寄存器CIM_CTRL[ADCn_TRIG_SEL]選擇ADC外設(shè)外部的觸發(fā)信號源：

• Raw signal which from the PTU module (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=0)
• Signal from the TMU module and synchronized by bus clock (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=1)
• Signal from the TMU module and synchronized by function clock (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=2)

ADC轉(zhuǎn)換器的看門狗

YTM32微控制器的ADC外設(shè)設(shè)計了看門狗的功能，這個功能在同類的設(shè)計中，還有一個更直觀的名字，“硬件自動比較”。意思是通過為采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)置一個高限ADC_WDTH[HIGH]和低限ADC_WDTH[LOW]框起來的正常數(shù)值區(qū)間，每次ADC執(zhí)行轉(zhuǎn)換完成后，硬件都自動將轉(zhuǎn)換結(jié)果同預(yù)設(shè)的正常數(shù)值區(qū)間進(jìn)行比較，當(dāng)采樣結(jié)果過高（高于高限）或者過低（低于底限），都會觸發(fā)一個超出預(yù)設(shè)范圍的事件（可以觸發(fā)中斷）。這個功能通常用于實現(xiàn)對傳感器的監(jiān)控。某些MCU上設(shè)計ADC可以使用異步時鐘在低功耗模式下繼續(xù)存活，就會用到這個硬件自動判定超限的機(jī)制，只有當(dāng)出現(xiàn)異常采樣時，才喚醒CPU對環(huán)境做進(jìn)一步的判斷。

然而，當(dāng)下的這款A(yù)DC最多可以保存16個轉(zhuǎn)換結(jié)果（在FIFO中）和24個采樣通道，但沒有為16個轉(zhuǎn)換結(jié)果或者24個采樣通道分別安排上限值寄存器和下限值寄存器。 這里有個機(jī)制，通過寄存器ADC_WDCTRL[WDSGL]選擇：

• 當(dāng)ADC_WDCTRL[WDSGL]=0時，硬件比較的機(jī)制會作用于FIFO的入口，任何通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)入FIFO時，都會被比較，有可能觸發(fā)超事件。
• 當(dāng)ADC_WDCTRL[WDSGL]=1時，硬件自動比較會現(xiàn)定于某個指定的通道，通道號設(shè)置于寄存器字段ADC_WDCTRL[WDCHSEL]中。

另外，還有控制位ADC_WDTH[THMD]，可以設(shè)定在ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果是限定區(qū)域之內(nèi)觸發(fā)超限事件還是在限定區(qū)域之外。如圖x所示。

圖x 硬件自動比較的有效范圍

中斷事件和DMA

ADC轉(zhuǎn)換器能夠觸發(fā)中斷的事件，主要是面向轉(zhuǎn)換任務(wù)和轉(zhuǎn)換隊列的執(zhí)行轉(zhuǎn)換任務(wù)完成的情況，ADC外設(shè)甚至對ADC轉(zhuǎn)換器上電成功和采樣階段結(jié)束也設(shè)計中斷事件。

ADC的DMA是基于FIFO設(shè)計的。用戶可以在寄存器ADC_CFG0[WM]中設(shè)定產(chǎn)生DMA觸發(fā)信號的FIFO有效數(shù)據(jù)數(shù)量的閾值，當(dāng)FIFO中已經(jīng)填入的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)量達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時，ADC外設(shè)會向DMAMUX發(fā)出DMA觸發(fā)信號，預(yù)設(shè)的DMA搬運任務(wù)將一次性從ADC的FIFO中搬運走預(yù)設(shè)數(shù)量（可以小于等于預(yù)設(shè)的數(shù)量閾值）的轉(zhuǎn)換結(jié)果、

FIFO的閾值事件是可以產(chǎn)生DMA的觸發(fā)信號的同時，也可以產(chǎn)生中斷的觸發(fā)信號。根據(jù)設(shè)計慣例，當(dāng)同一個事件的DMA和中斷觸發(fā)開關(guān)同時打開時，DMA的優(yōu)先級更高，中斷信號不會發(fā)出。否則，如果在中斷服務(wù)程序中將FIFO中的數(shù)據(jù)讀走了，給DMA搬運的數(shù)據(jù)不夠多，F(xiàn)IFO就會產(chǎn)生下溢錯。

應(yīng)用要點（軟件）

YTMicro SDK中包含了YTM32的ADC外設(shè)模塊的驅(qū)動程序adc_driver，并提供了關(guān)于ADC外設(shè)的樣例工程，包括：adc、adc_dma、adc_all_channels等。

總結(jié)

YTM32的手冊對ADC外設(shè)模塊進(jìn)行了基本的介紹，列寫了ADC外設(shè)模塊開放給用戶的資源，本文對YTM32的ADC外設(shè)模塊的功能進(jìn)行演繹，更為細(xì)致地講解了ADC外設(shè)模塊及各功能的運行機(jī)制，方便用戶充分理解ADC外設(shè)模塊并結(jié)合應(yīng)用利用好在ADC中設(shè)計的硬件資源。同時，本文也是對一種ADC外設(shè)模塊的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了較為細(xì)致的分析，推演了ADC外設(shè)模塊的設(shè)計方法，可以為從事芯片設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師們在設(shè)計IP時提供參考。