ARM的A/D接口實驗

一、 實驗?zāi)康?br>１．熟悉ARM 本身自帶的八路十位A/D 控制器及相應(yīng)寄存器。
２．編程實現(xiàn)ARM 系統(tǒng)的A/D 功能。
３．掌握帶有A/D 的CPU 編程實現(xiàn)A/D 功能的主要方法。
二、 實驗內(nèi)容
學習A/D 接口原理，了解實現(xiàn)A/D 系統(tǒng)對于系統(tǒng)的軟件和硬件要求。閱讀ARM 芯片
文檔，掌握ARM 的A/D 相關(guān)寄存器的功能，熟悉ARM 系統(tǒng)硬件的A/D 相關(guān)接口。利用外
部模擬信號
1．編程實現(xiàn)ARM 循環(huán)采集全部８路通道，并且在超級終端上顯示。（不帶操作系統(tǒng)）
2．編程實現(xiàn)ARM 采集某路的連續(xù)電壓值，并且在屏幕上展開顯示采集曲線。（帶操作
系統(tǒng)）
三、 預(yù)備知識
1、用ARM SDT 2.5 集成開發(fā)環(huán)境，編寫和調(diào)試程序的基本過程。
2、ARM 應(yīng)用程序的框架結(jié)構(gòu)。
3、會使用Source Insight 3 編輯C 語言源程序。
4、能夠自己完成在LCD 上顯示指定參量。
四、 實驗設(shè)備及工具
硬件：ARM 嵌入式開發(fā)板、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 機Pentumn100 以
上、模擬電壓信號源
軟件：PC 機操作系統(tǒng)win98、ARM SDT 2.51 集成開發(fā)環(huán)境、仿真器驅(qū)動程序、Source
Insight 3.0
五、 實驗原理及說明
1．A/D 轉(zhuǎn)換器
A/D 轉(zhuǎn)換器是模擬信號源和CPU 之間聯(lián)系的接口，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號
轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便計算機和數(shù)字系統(tǒng)進行處理、存儲、控制和顯示。在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)
采集及許多其他領(lǐng)域中，A/D 轉(zhuǎn)換是不可缺少的。
A/D 轉(zhuǎn)換器有以下類型：逐位比較型、積分型、計數(shù)型、并行比較型、電壓－頻率型，
主要應(yīng)根據(jù)使用場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度、精度、價格、功能以及接口條件等因素而
決定選擇何種類型。常用的有以下兩種：
(一)雙積分型的A/D 轉(zhuǎn)換器
雙積分式也稱二重積分式，其實質(zhì)是測量和比較兩個積分的時間，一個是對模擬輸入電
壓積分的時間T，此時間往往是固定的；另一個是以充電后的電壓為初值，對參考電源Vncf
反向積分，積分電容被放電至零所需的時間T，(或T。等)。模擬輸入電壓Vi 與參考電壓
VRef 之比，等于上述兩個時間之比。由于VRef,T。固定，而放電時間Ti 可以測出，因而可計
算出模擬輸入電壓的大小(VRef 與Vi 符號相反)。
由于T。、VRef 為已知的固定常數(shù)，因此反向積分時間T1 與輸入模擬電壓Vi 在T。時間
內(nèi)的平均值成正比。輸入電壓Vi 愈高，VA 愈大，T1 就愈長。在T1 開始時刻，控制邏輯同
時打開計數(shù)器的控制門開始計數(shù)，直到積分器恢復(fù)到零電平時，計數(shù)停止。則計數(shù)器所計出
的數(shù)字即正比于輸入電壓Vi 在T。時間內(nèi)的平均值，于是完成了一次A/D 轉(zhuǎn)換。
由于雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換是測量輸入電壓Vi 在T。時間內(nèi)的平均值，所以對常態(tài)干擾(串
模干擾)有很強的抑制作用，尤其對正負波形對稱的干擾信號，抑制效果更好。

雙積分型的A/D 轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強，精度高，這是突出的優(yōu)點。但轉(zhuǎn)換
速度比較慢，常用的A/D 轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換時間為毫秒級。例如12 位的積分型A/D 芯片
ADCETl2BC，其轉(zhuǎn)換時間為lms。因此適用于模擬信號變化緩慢，采樣速率要求較低，而
對精度要求較高，或現(xiàn)場干擾較嚴重的場合。例如在數(shù)字電壓表中常被采用。
(二)逐次逼近型的A/D 轉(zhuǎn)換器
逐次逼近型(也稱逐位比較式)的A/D 轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用比積分型更為廣泛，其原理框圖如圖
6-1 所示，主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A 轉(zhuǎn)換器、比較器以及時序和控制邏輯等部分組
成。它的實質(zhì)是逐次把設(shè)定的SAR 寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后得到電壓Vc，與待轉(zhuǎn)
換模擬電壓V。進行比較。比較時，先從SAR 的最高位開始，逐次確定各位的數(shù)碼應(yīng)是“1”
還是“0”，其工作過程如下：
轉(zhuǎn)換前，先將SAR 寄存器各位清零。轉(zhuǎn)換開始時，控制邏輯電路先設(shè)定SAR 寄存器的
最高位為“1”，其余位為“0”，此試探值經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換成電壓Vc，然后將Vc 與模擬輸入電
壓Vx 比較。如果Vx≥Vc，說明SAR 最高位的“1”應(yīng)予保留；如果Vx<Vc，說明SAR 該
位應(yīng)予清零。然后再對SAR 寄存器的次高位置“1”，依上述方法進行D/A 轉(zhuǎn)換和比較。如
此重復(fù)上述過程，直至確定SAR 寄存器的最低位為止。過程結(jié)束后，狀態(tài)線改變狀態(tài)，表
明已完成一次轉(zhuǎn)換。最后，逐次逼近寄存器SAR 中的內(nèi)容就是與輸入模擬量V 相對應(yīng)的二
進制數(shù)字量。顯然A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)N 決定于SAR 的位數(shù)和D/A 的位數(shù)。圖6-1(b)表示四
位A/D 轉(zhuǎn)換器的逐次逼近過程。轉(zhuǎn)換結(jié)果能否準確逼近模擬信號，主要取決于SAR 和D/A
的位數(shù)。位數(shù)越多，越能準確逼近模擬量，但轉(zhuǎn)換所需的時間也越長。
逐次逼近式的A/D 轉(zhuǎn)換器的主要特點是：

轉(zhuǎn)換速度較快，在1—100μs 以內(nèi)，分辨率可以達18 位，特別適用于工業(yè)控制系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)換時間固定，不隨輸入信號的變化而變化?？垢蓴_能力相對積分型的差。例如，對模擬輸
入信號采樣過程中，若在采樣時刻有一個干擾脈沖迭加在模擬信號上，則采樣時，包括干擾
信號在內(nèi)，都被采樣和轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這就會造成較大的誤差，所以有必要采取適當?shù)臑V波
措施。
2．A/D 轉(zhuǎn)換的重要指標
⑴ 分辨率(Resolution)：
分辨率反映A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入微小變化響應(yīng)的能力，通常用數(shù)字輸出最低位(LSB)所對
應(yīng)的模擬輸入的電平值表示。n 位A/D 能反應(yīng)1/2n 滿量程的輸入電平。由于分辨率直接與轉(zhuǎn)
換器的位數(shù)有關(guān)，所以一般也可簡單地用數(shù)字量的位數(shù)來表示分辨率，即n 位二進制數(shù)，最
低位所具有的權(quán)值，就是它的分辨率。

值得注意的是，分辨率與精度是兩個不同的概念，不要把兩者相混淆。即使分辨率很高，
也可能由于溫度漂移、線性度等原因，而使其精度不夠高。
⑵ 精度(Accuracy)
精度有絕對精度(Absolute Accuracy)和相對精度(Relative Accuracy)兩種表示方法。
① 絕對誤差
在一個轉(zhuǎn)換器中，對應(yīng)于一個數(shù)字量的實際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差并
非是一個常數(shù)。我們把它們之間的差的最大值，定義為“絕對誤差”。通常以數(shù)字量的最小
有效位(LSB)的分數(shù)值來表示絕對誤差，例如： ± 1LSB 等。絕對誤差包括量化誤差和其它
所有誤差。
② 相對誤差
是指整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬
電壓滿量程的百分比表示。
例如，滿量程為10V，10 位A/D 芯片，若其絕對精度為± 1/2LSB，則其最小有效位的
量化單位：9.77mV，其絕對精度為＝4.88mV，其相對精度為0.048%。
⑶ 轉(zhuǎn)換時間(Conversion Time)
轉(zhuǎn)換時間是指完成一次A/D 轉(zhuǎn)換所需的時間，即由發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束
信號開始有效的時間間隔。
轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。例如AD570 的轉(zhuǎn)換時間為25us，其轉(zhuǎn)換速率為40KHz。
⑷ 電源靈敏度(power supply sensitivity)
電源靈敏度是指A/D 轉(zhuǎn)換芯片的供電電源的電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換誤差。一般
用電源電壓變化1％時相當?shù)哪M量變化的百分數(shù)來表示。
⑸ 量程
量程是指所能轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓范圍，分單極性、雙極性兩種類型。
例如，單極性 量程為0～+5V，0～+10V，0～+20V；
雙極性 量程為-5～+5V，-10～+10V。
⑹ 輸出邏輯電平
多數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出邏輯電平與TTL 電平兼容。在考慮數(shù)字量輸出與微處理器的數(shù)
據(jù)總線接口時，應(yīng)注意是否要三態(tài)邏輯輸出，是否要對數(shù)據(jù)進行鎖存等。
⑺ 工作溫度范圍
由于溫度會對比較器、運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響，故只在一定的溫度范圍內(nèi)才
能保證額定精度指標。一般A/D 轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍為（0~700C），軍用品的工作溫度范
圍為（-55~+1250C）
3．ARM 自帶的十位A/D 轉(zhuǎn)換器
ARM S3C440BX 芯片自帶一個８路10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以通過軟件設(shè)置為
Sleep 模式，可以節(jié)電減少功率損失，最大轉(zhuǎn)換率為500K，非線性度為正負１位，其轉(zhuǎn)換時
間可以通過下式計算：如果系統(tǒng)時鐘為66MHz，比例值為9，則為
66MHz/2 (9+1)/16 (完成轉(zhuǎn)換至少需要16 個時鐘周期)=205.25KHz=4.85us。
ARM 芯片與A/D 功能有關(guān)的引腳為以下幾個，其中AIN[7:0]為8 路模擬采集通道，
AREFT 為參考正電壓，AREFB 為參考負電壓，AVCOM 為模擬共電壓。

轉(zhuǎn)換在讀操作時開始。2,3,4 位是通道號。5 位為睡眠模式設(shè)定，6 位為轉(zhuǎn)換標志位（只讀）。
通過該寄存器設(shè)置A/D 轉(zhuǎn)換開始可以參見下例：
rADCCON=0x11(通道４開始轉(zhuǎn)換)

即前四路通過電位器接倒3.3V 的電源上。
六、 實驗步驟
１．不帶操作系統(tǒng)的A/D 功能的實現(xiàn)
當本系統(tǒng)不嵌入操作系統(tǒng)，僅僅執(zhí)行A/D 轉(zhuǎn)換的單任務(wù)時，首先要設(shè)置各相關(guān)寄存器，
進行初始化，然后再開啟轉(zhuǎn)換。下面我們看看在不帶操作系統(tǒng)時循環(huán)采集全部8 路通道是如
何實現(xiàn)的。
⑴ 學習上述A/D 轉(zhuǎn)換原理，了解轉(zhuǎn)換相應(yīng)寄存器各位的意義。
⑵ 打開一個新工程，定義與AD 有關(guān)的三個寄存器地址和一些特殊的位命令。主要有
以下各寄存器：
/* ADC 的三個功能寄存器 */
#define rADCCON (*(volatile unsigned *)0x1d40000)
#define rADCPSR (*(volatile unsigned *)0x1d40004)
#define rADCDAT (*(volatile unsigned *)0x1d40008)
/* ADC 的各種指示符 */
#define ADCCON_FLAG 0x40 //轉(zhuǎn)換標志
#define ADCCON_SLEEP 0x20 //休眠標志
#define ADCCON_ADIN0 (0x0<<2)//輸入信道
#define ADCCON_ADIN1 (0x1<<2)
#define ADCCON_ADIN2 (0x2<<2)
#define ADCCON_ADIN3 (0x3<<2)
#define ADCCON_ADIN4 (0x4<<2)
#define ADCCON_ADIN5 (0x5<<2)
#define ADCCON_ADIN6 (0x6<<2)
#define ADCCON_ADIN7 (0x7<<2)
#define ADCCON_READ_START 0x2//讀使轉(zhuǎn)化標志

⑶ ADCDAT，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器。該寄存器的十位表示轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，全為１時為
滿量程3.3 伏。
4．AD 轉(zhuǎn)換器在擴展版的接法如下：

#define ADCCON_ENABLE_START 0x1//使能轉(zhuǎn)化標志
將上述定義為一個AD 功能的頭文件，并且加入到工程中。
⑶ 在上面的文件中添加兩個執(zhí)行函數(shù)，一個為初始化函數(shù)，一個為轉(zhuǎn)換某路函數(shù)。
將函數(shù)放入AD 的函數(shù)庫中（*.c）。
初始化函數(shù)：
void init_ADdevice()
{
rADCPSR=20; //采樣率為32
rADCCON=ADCCON_SLEEP;//進入休眠模式
}
讀取某路模擬量函數(shù)：
int GetADresult(int channel) //channel 為通道數(shù)
{
rADCCON=(channel<<2)|ADCCON_ENABLE_START; //啟動某路轉(zhuǎn)換
while(!(rADCCON&ADCCON_FLAG)); //直到轉(zhuǎn)換完畢
return rADCDAT; //返回轉(zhuǎn)換結(jié)果
}
⑷ 在主函數(shù)中首先初始化AD 寄存器，編程實現(xiàn)循環(huán)采集８路模擬量，并且在超級終
端上顯示結(jié)果。
主函數(shù)如下：
int Main(int argc, char **argv)
{
int i;
float d=1024;
init_ADdevice();
Uart_Printf("\n");
while(1)
{
for(i=0;i<=7;i++)
{
d=GetADresult(i)*5.00/1024;
Uart_Printf("a%d=%f\n",i,d);
Delay(10000);
}
}
return 0;
}
⑸ 用萬用表測量擴展板上電位器兩端輸出電壓，記下輸出電壓。啟動采集，觀察轉(zhuǎn)換
后的電壓值是否與測量值相等。
2．帶操作系統(tǒng)的A/D 功能實現(xiàn)
當系統(tǒng)內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)時，由于相當部分的工作已經(jīng)被系統(tǒng)執(zhí)行，甚至包括串行口的初
始化工作，所以A/D 功能的實現(xiàn)變的更加容易，下面我們看看如何周期性采集某路通道的
信號，并在LCD 上顯示該信號的波形。
⑴ 打開一個已有的工程文件，在其中的主函數(shù)MAIN 中添加AD 的寄存器初始化代碼，并添加鍵盤掃描任務(wù)。鍵盤掃描任務(wù)的代碼如下：
void Key_Scan_Task(void *Id)
{
U32 key;
POSMSG pmsg;
Uart_Printf(0,"key\n");
for (;;){
key=GetKey();
pmsg=OSCreateMessage(OSM_KEY,(key+1)&0xffff,key>>16);
if(pmsg)
SendMessage(pmsg);
}
}
同時將A/D 轉(zhuǎn)換單列為一個任務(wù)。軟件部分將通道０的模擬電壓經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后到液晶
屏上展開顯示。
void AD_Check_Task(void *Id)
{
int i;
float d;
init_ADdevice();
while(1)
{
if(ADOpen)
{
LCD_ChangeMode(DspGraMode);
ClearScreen();
for(i=0;i<=319;i++);
{
d=GetADresult(0)*5/1024;
Show(i,d);
OSTimeDly(1);
}
}
}
}
⑵ 在Main_Task 中添加消息響應(yīng)部分，通過設(shè)置某個全局變量，當按鍵盤上的某個鍵
時（如nkey==4），變量改變，決定是否繼續(xù)采集。鍵盤響應(yīng)函數(shù)為：
void onKey(int nkey, int fnkey)
{
if(nkey＝＝4)
if(ADOpen＝＝True)
ADOpen＝False；
else ADOpen＝True；
}

AD 轉(zhuǎn)換任務(wù)在執(zhí)行時，將檢測ADOpen 變量，判斷是否開啟轉(zhuǎn)換。
⑶ 找一個信號發(fā)生器，使其產(chǎn)生０～5 伏連續(xù)變化的電壓。接到A/D 的0 通道上，動
態(tài)采集電壓，并在屏幕上顯示出其電壓波動情況（橫坐標拉開，在屏幕上動態(tài)刷新）。
顯示部分程序如下：
void Show(int i, float d)
{
PDC ADpdc;
U16 Point[2]={0x2e,0x00};
ADpdc=CreateDC();
TextOut(ADpdc,i,(int)(d*10),Point,TRUE, FONTSIZE_MIDDLE);
DestoryDC(ADpdc);
}
觀察LCD 上顯示的波形，并思考如果量程超出了測量范圍，應(yīng)采取何種方法測量模擬
電壓。
七、 思考題
１．逐次逼近型的A/D 轉(zhuǎn)換器原理是什么？
２．A/D 轉(zhuǎn)換的重要指標包括哪些？
３．ARM 的A/D 功能的相關(guān)寄存器有哪幾個，對應(yīng)的地址是什么？
４．如何啟動ARM 開始轉(zhuǎn)換A/D，有幾種方式？轉(zhuǎn)換開始時ARM 是如何知道轉(zhuǎn)換哪
路通道的？如何判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束？
５．怎樣動態(tài)顯示某個通道的模擬電壓波形？