使用MCU的系統(tǒng)設(shè)計人員受益于摩爾定律，即通過更小封裝、更低成本獲得更多的豐富特性功能。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員和MCU廠商關(guān)心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的三個基本功能：捕獲、計算和通信。理解全部功能對設(shè)計大有幫助，本文將主要關(guān)注數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的捕獲階段。

捕獲

復(fù)雜的混合信號MCU必須能夠從模擬世界中捕獲某些有用信息，并且能夠把連續(xù)時間信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是完成這項任務(wù)最重要的MCU外設(shè)，因此ADC的性能往往決定何種MCU適用于何種應(yīng)用。MCU也能夠通過各種串行或并行數(shù)字I/O接口捕獲來自外部信號源的數(shù)字形式的系統(tǒng)信息。

計算

信號捕獲后，需要對捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行某些處理；有時僅僅需要模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是更多情況下必須要對捕獲的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行計算。MCU行業(yè)中持續(xù)進(jìn)行的數(shù)字化演變，帶給系統(tǒng)開發(fā)人員更先進(jìn)的信號處理水平和更高的處理器速度。因此，嵌入式開發(fā)人員現(xiàn)在對8位、16位和32位混合信號MCU有更多的選擇余地，以便適應(yīng)各種成本/性能目標(biāo)。開發(fā)人員也有更多片上選擇(on-chip options)可用于完成系統(tǒng)任務(wù)。此外，MCU的硬宏(hard-macro)能自動處理，在外設(shè)中集成的功能狀態(tài)機(jī)可完成常見的處理器任務(wù)。

通信

最后，為了控制過程中的信息交換，某種形式的通信是必要的。此功能可以相當(dāng)簡單，也可以相當(dāng)復(fù)雜。通信甚至可以是模擬輸出的電壓或電流，通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)把捕獲和處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到模擬形式來實現(xiàn)。

基于多功能MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

MCU數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵是ADC。在電子行業(yè)中最常見的ADC類型一般是逐次逼近型ADC(SAR ADC)。許多MCU使用SAR ADC是因為它在速度和性能組合上的靈活性。 在MCU中，SAR ADC的精確度可以從8位到16位，吞吐速率范圍可以從極慢的按需轉(zhuǎn)換請求到每秒超過100萬次轉(zhuǎn)換。但是ADC僅僅是完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的其他部分也可增加其靈活性，包括信號輸入接口、參考電壓接口、用于ADC的時鐘和采樣系統(tǒng)以及用于轉(zhuǎn)換后ADC輸出數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理。

通常情況下，模擬信號輸入接口共享一個通用輸入輸出(I/O)緩沖器結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體可配置為數(shù)字域或模擬域，或者也可以由兩個域共用。多配置性實現(xiàn)方法允許設(shè)計人員根據(jù)其系統(tǒng)需求在多個芯片引腳上劃分模擬和數(shù)字功能。作為輸入多路復(fù)用器的一部分，最常見的輔助輸入之一是片上的溫度傳感器；其他的重要輸入包括內(nèi)部電壓。

一旦系統(tǒng)的輸入通道配置完成，嵌入式設(shè)計人員就可以利用程序代碼選擇任意通道，并請求ADC轉(zhuǎn)換。設(shè)計人員也可以選擇免除程序代碼，而允許ADC通道定序器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的通道輸入進(jìn)行循環(huán)，直到檢測出重要事件。

數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)的另一個重要方面是ADC參考電壓(VREF)。參考電壓用來設(shè)置系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍或量程，并能顯著影響整體噪聲性能。多路轉(zhuǎn)換器通常用于從多種板上和外部參考電壓輸入中選擇VREF。常用的參考電壓包括MCU內(nèi)部生成的緩沖帶隙電壓的倍頻電壓、片外生成的精確參考電壓以及多種外部電源電壓，以上可選參考電壓都兼容I/O緩沖器結(jié)構(gòu)體和ADC限制。

如此多的輸入通道，使人們很容易想象到，在某些系統(tǒng)中一個或多個引腳的輸入動態(tài)范圍可能不兼容單一VREF電壓。為了解決這個問題，Silicon Labs Precision32 MCU集成輸入級聯(lián)增益，根據(jù)ADC型號不同可能有0.5或1倍的增益，這樣通過調(diào)整輸入信號可更好的兼容選擇VREF。

ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)

ADC的時鐘系統(tǒng)要易于配置，以便支持MCU應(yīng)用的多種用途。SAR ADC屬于奈奎斯特率轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)設(shè)計人員要仔細(xì)選擇以滿足采樣率至少兩倍于輸入信號帶寬的奈奎斯特準(zhǔn)則。當(dāng)配置ADC時，開發(fā)人員還必須考慮兩個計時任務(wù)。這兩個任務(wù)涉及ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)和MCU系統(tǒng)內(nèi)的可用時鐘源。轉(zhuǎn)換循環(huán)有兩部分組成：一個是跟蹤周期，一個是轉(zhuǎn)換周期，如圖1所示。

跟蹤周期是轉(zhuǎn)換循環(huán)中當(dāng)ADC輸入電路連接到輸入信號時所花費的那部分時間。輸入采樣發(fā)生在跟蹤周期結(jié)束并且輸入電路從輸入源斷開時。這一刻是由連接到ADC的數(shù)字控制信號引起的，稱為轉(zhuǎn)換啟動(CNVST)。該命名恰如其分，CNVST標(biāo)志著跟蹤周期的結(jié)束和轉(zhuǎn)換周期的開始。

轉(zhuǎn)換周期是ADC執(zhí)行逐次逼近寄存器(SAR)邏輯時的那部分ADC轉(zhuǎn)換循環(huán)。ADC用于跟蹤輸入信號的時間量與ADC的輸入負(fù)載特性、信號源的驅(qū)動能力和測量所需的精度要求相關(guān)。MCU器件規(guī)格手冊列出ADC輸入模型，給出ADC輸入的輸入電容、電阻和漏電流值。為了精確測量，開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)為輸入信號穩(wěn)定保留足夠的跟蹤時間，最好超過0.5LSB。

雖然轉(zhuǎn)換周期通常是一個與SAR ADC時鐘周期有關(guān)的可配置時間量，即對于每一位的判別時間，但他最好是采用CNVST請求之間的時間量描述跟蹤時間，而不是SAR轉(zhuǎn)換周期。簡單的說，如果ADC沒有處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)，那他就處于跟蹤狀態(tài)。轉(zhuǎn)換請求之間的過長時間會導(dǎo)致更多的跟蹤時間。為了解決這個問題，Silicon Labs MCU系列產(chǎn)品提供在轉(zhuǎn)換請求之間關(guān)閉跟蹤電路的功能，從而可降低系統(tǒng)功耗。

ADC轉(zhuǎn)換吞吐速率是轉(zhuǎn)換請求的頻率，通常命名為符號Fs。最大吞吐速率的設(shè)定通常由ADC的最小跟蹤時間以及最小轉(zhuǎn)換時間限定。恒定的吞吐速率是通過發(fā)送同樣時間間隔的轉(zhuǎn)換請求流來實現(xiàn)的。對于管理兩個關(guān)鍵的計時任務(wù)來說，可配置的ADC時鐘系統(tǒng)是必不可少的。

計時任務(wù)之一是生成用于轉(zhuǎn)換周期期間的時鐘，用于執(zhí)行SAR算法。與轉(zhuǎn)換周期相關(guān)的SAR時鐘(SARCLK)通常來自MCU系統(tǒng)時鐘。SARCLK的可配性需要適應(yīng)MCU系統(tǒng)時鐘，時鐘頻率范圍從不到1MHz到超過100MHz。由于ADC內(nèi)部的比較器設(shè)計，將產(chǎn)生SAR轉(zhuǎn)換邏輯被定時的最大速率。系統(tǒng)設(shè)計人員必須小心配置SARCLK頻率，避免超過其最大時鐘速率規(guī)格。另一個計時任務(wù)是生成轉(zhuǎn)換請求采樣速率，其不能超過給定適當(dāng)轉(zhuǎn)換周期配置的ADC轉(zhuǎn)換器的最大吞吐速率。

孔徑抖動和延遲

轉(zhuǎn)換啟動請求信號可以看作是采樣時鐘，因此它決定ADC采樣和保持電路實際捕獲輸入信號的時間點。當(dāng)配置ADC轉(zhuǎn)換請求時基時，需要考慮與采樣和保持電路相關(guān)的規(guī)格，即孔徑抖動和孔徑延遲。這兩個規(guī)格影響輸入信號采樣的精確度，因為輸入信號相對于孔徑時間延遲在不斷快速變化，如圖2所示。

孔徑抖動在生成轉(zhuǎn)換啟動信號的時鐘系統(tǒng)和其他電路中將導(dǎo)致誤差(即時鐘抖動)，同時孔徑延遲導(dǎo)致轉(zhuǎn)換啟動信號和采樣開關(guān)之間電路延遲。孔徑抖動在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中會引入噪聲和失真。孔徑延遲可以由MCU設(shè)計人員內(nèi)部管理，使其最小化，以避免由于長延遲而增加更多抖動的風(fēng)險。孔徑延遲在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中引起延遲誤差。太長的孔徑延遲類似于水池在“水池滿”信號發(fā)出之前就開始溢出。

由于上述原因，需要精確的時基用于產(chǎn)生穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換啟動請求時序。MCU提供一系列板上時鐘或外部時鐘源作為系統(tǒng)時鐘選擇。系統(tǒng)設(shè)計人員必須仔細(xì)選擇具有足夠精度的時鐘源，以滿足其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。對于高速輸入源，需要非常精確的晶體振蕩器。另一方面，直流(DC)或慢速輸入可以更好地容忍時鐘系統(tǒng)錯誤，但仍然需要在轉(zhuǎn)換之間保留足夠的穩(wěn)定時間。

突發(fā)模式特性

Silicon Labs MCU系列產(chǎn)品中兩個特別有用的特性是突發(fā)模式和標(biāo)記跟蹤模式。突發(fā)模式根據(jù)可編程的連續(xù)ADC轉(zhuǎn)換數(shù)量生成累積的或平均結(jié)果，所有觸發(fā)來自一個轉(zhuǎn)換請求。標(biāo)記跟蹤模式通過改變轉(zhuǎn)換啟動請求操作來分擔(dān)MCU系統(tǒng)所需的跟蹤時間管理。通常，轉(zhuǎn)換啟動標(biāo)記在跟蹤周期終點和轉(zhuǎn)換周期起點。但在標(biāo)記跟蹤模式中，轉(zhuǎn)換啟動請求卻在跟蹤周期起點觸發(fā)，然后持續(xù)一段時間，此時長為基于預(yù)配置的SARADC時鐘周期的可編程時長，最后才開始轉(zhuǎn)換。帶有標(biāo)記跟蹤的觸發(fā)模式可為低頻運行的MCU在單MCU時鐘循環(huán)中獲得累積的ADC結(jié)果，因此減少系統(tǒng)循環(huán)數(shù)和降低功耗，如圖3所示。

ADC數(shù)據(jù)窗口

Silicon Labs 8位和32位混合信號MCU具有ADC輸出數(shù)據(jù)窗口比較器。ADC輸出數(shù)據(jù)與可編程的高低限制進(jìn)行比較，并可為ADC輸出數(shù)據(jù)在設(shè)定的門限值內(nèi)、外、高或低自動生成可編程中斷。使用數(shù)據(jù)窗口比較器，設(shè)計人員能夠配置ADC來自動檢查“水池滿”液面監(jiān)測器輸入，直到數(shù)據(jù)窗口比較器發(fā)出一個中斷信號給MCU程序為止。當(dāng)觸發(fā)中斷時，MCU可以中斷當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)并切換到嚴(yán)密控制水池系統(tǒng)的任務(wù)中。

來源： 芯科科技

審核編輯 黃昊宇