50 оттенков Периферии Независимой от Ядра (Часть 3)

50 оттенков Периферии Независимой от Ядра (Часть 3)

АЦП и АЦП с вычислителем микроконтроллеров Microchip

Обзор возможностей АЦП

АЦП с полной уверенностью можно назвать Периферией Независимой от Ядра, так как АЦП имеет вариант тактирования от встроенного RC-генератора и может выполнять преобразование в режиме сохранения энергии Sleep. Но этим независимость не ограничивается. Многие семейства PIC16F1xxx имеют АЦП с возможностью старта по событиям, а совсем новые семейства PIC16F188xx получили еще и поствычислитель.

Рассмотрим возможности АЦП на примере МК семейства PIC16F18855/75 АЦП контроллеров этого семейства имеет:

    • 8-и битный таймер предвыборки (Acquisition Timer);

    Аппаратную поддержку Емкостного делителя напряжения (Capacitive Voltage Divider, CVD):

        • 8-и разрядный таймер предзаряда;
        • Массив конденсаторов подстройки емкости УВХ;
        • Выходной драйвер защитного кольца (Guard ring);

        Автоматическое повторение операций и последовательностей Automatic repeat and sequencing:

            • автоматизированное двойное преобразование для CVD;
            • Два набора регистров результата (результат и предыдущий результат);
            • Триггер автопреобразования;
            • Внутренний «ретриггер» (Internal retrigger).
                • Усреднение и Фильтр Низких Частот;
                • Сравнение с опорным значением;
                • 2-х уровневое пороговое сравнение;
                • Выбираемые прерывания.

                АЦП с поствычислителем состоит из нескольких блоков.

                Рис. 1. Структура АЦП с вычислителем в семействе PIC16F18855

                Триггер запуска АЦП

                Прошли те времена, когда для запуска измерения АЦП нужно было «вручную» установить бит. Теперь АЦП может запускаться ещё по следующим событиям:

                • внешний вход;
                • срабатывание таймеров (общего назначения и SMT – 24-х битных таймеров измерения сигналов);
                • выход модуля сравнения и ШИМ;
                • срабатывание компаратора;
                • изменение состояния входов настроенных как прерывание по изменению состояния;
                • выход логических ячеек;
                • чтение результата измерения АЦП;
                • изменение номера канала АЦП.

                Устройство выборки/хранения (УВХ) получило дополнительные возможности, в основном связанные с упрощением определения емкости подключенной ко входу АЦП. В первую очередь это помогает в создании интерфейсов с емкостными (сенсорными) кнопками.

                Microchip предлагает определять емкость сенсора с помощью емкостного делителя напряжения (Capacitive Voltage Divider, CVD). Суть метода сводится к следующему. На первом шаге (см.рис. 2) вход сенсора подключается к «земле» (его емкость разряжается), а канал АЦП к напряжению питания, емкость УВХ заряжается.

                Затем вход сенсора подключается к УВХ АЦП, происходит перераспределения заряда между емкостью сенсора и емкостью УВХ. Затем производится измерение напряжения на емкости УВХ.

                Рис. 2. Диаграммы поясняющие измерение емкости с помощью емкостного делителя напряжения

                При касании сенсора будет изменяться его емкость, а значит мы будем фиксировать разные установившиеся значения напряжения на емкости УВХ. Для уменьшения влияния наведенных помех на сенсор и/или оператора, применяется дифференциальный CVD, состоящий из двух последовательных измерений с помощью CVD, но на второй стадии инвертируем заряды на сенсоре и УВХ (сенсор заряжаем до напряжения питания, а емкость УВХ разряжаем, см. рис.3).

                Рис.3. Диаграмма сигналов при дифференциальном CVD

                Подробно про емкостные сенсоры, метод дифференциального CVD и управление защитным проводником можно почитать на сайте: http://pickit2.ru/doku.php/all_articles:mtouch

                Новый АЦП с поствычислителем для поддержки и автоматизации CVD имеет следующие функции:

                • таймер предзаряда (precharge);
                • управление последовательностью заряда (нужной полярности), запуск измерения;
                • подключение дополнительных внутренних емкостей к УВХ;
                • два последовательных измерения;
                • вычисление разницы между двумя измеренными значениями;
                • управление драйвером «защитным кольцом» (guard ring).

                Таким образом, АЦП в автоматическом режиме может выполнить дифференциальный CVD и предоставить нам готовый результат.

                Функции поствычислителя

                Поствычислитель осуществляет несколько функций.

                Модуль АЦП может работать в одном из пяти режимов:

                Базовый режим. В этом режиме АЦП может производить одно или два измерения, после каждого может выставляться флаг прерывания.

                Накопление. По каждому измерению результат суммируется с аккумулятором и инкрементируется счетчик измерений.

                Усреднение. По каждому измерению результат суммируется с аккумулятором и инкрементируется счетчик измерений. По достижению заданного числа повторений результат делится и попадает в модуль сравнения, а следующее измерение сбросит счетчик в 1 и значение аккумулятора замениться на результат первого измерения.

                Усреднение очередью. По запуску АЦП происходит очистка аккумулятора и счетчика измерений и производится серия измерений заданное число раз, после чего результат делится и поступает в модуль сравнения.

                Фильтр Нижних частот. Каждое измеренное значение проходит через ФНЧ. По завершению заданного числа измерений результат попадает в модуль сравнения.

                Вычисление ошибки

                По завершению каждого вычисления результат фиксируется до окончания следующего измерения. Так же вычисляется разница между:

                • текущим и предыдущим измерением (первая производная от одиночного измерения);
                • двумя результатами в режиме измерения CVD (вычисляется дифференциальный CVD);
                • текущим результатом и константой (setpoint);
                • текущим результатом и фильтрованным значением;
                • текущим и предыдущим фильтрованными значениями (первая производная фильтрованного результата);
                • фильтрованным значением и константой (setpoint).

                Если вычислять разницу не нужно, то можно выбрать вычисление разницы между константой равной нулю.

                Сравнение с пороговыми значениями

                Результат вычисления ошибки сравнивается с верхним и нижним порогом. Дополнительно может формироваться прерывание если:

                • ошибка меньше чем нижний порог;
                • ошибка больше или равна нижнему порогу;
                • ошибка лежит между порогами;
                • ошибка за пределами порогов;
                • ошибка меньше или равна верхнему порогу;
                • ошибка больше верхнего порога;
                • формирование прерывания вне зависимости от результата сравнения с порогами (этот режим может быть полезен для фиксации самого факта сравнения, т.е. когда, например, нужно получить данные фильтрации/усреднения после N-измерений, а не прерывание после каждого измерения).

                Примеры конфигурирования АЦП

                Автозапуск, Фильтрация

                Данный пример показывает конфигурацию АЦП в плагине Mplab Code Configurator (MCC) для выполнения следующих действий:

                • таймер Timer2 настроен на срабатывание раз в 1 мс;
                • АЦП запускается по срабатыванию таймера. АЦП осуществляет предвыборку и измерение, результат попадает в фильтр. После накопления 32-х фильтрованных измерений производится сдвиг на 5 бит (деление на 32) и выставляется запрос на прерывание.

                Программе нужно лишь по прерыванию считать из регистра полученное фильтрованное значение.

                Рис. 4. Настройки АЦП с вычислителем

                Рис. 5. Считывание «сырых» и фильтрованных данных с АЦП

                Автозапуск, CVD, усреднение, прерывание по сравнению с порогами

                За основу этого примера взята реализация «быстрое создание емкостного сенсора» из http://microchip.wikidot.com/

                Выбрана следующая конфигурация:

                • таймер Timer2 настроен на срабатывание раз в 10мс;
                • АЦП запускается по срабатыванию таймера Timer 2. АЦП производит измерения методом CVD и вычисляет среднее значение 32-х измерений. После выполнения 32-х измерений и накопления результата выполняется деление на 32 (сдвиг на 5) и если итоговое значение лежит вне пороговых значений, то формируется запрос на прерывание, таким образом сообщается о «касании» и «отпускании» сенсорной кнопки (на самом деле в данном примере прерывание формируется каждый раз, так как кнопка либо нажата, либо нет и не имеет промежуточных состояний).

                Рис. 6. Настройки АЦП для CVD

                Рис.7. Реакция на касание сенсорной кнопки при одиночном CVD

                Настройка порога нам может дать прерывание не по каждому измерению/серии измерений с фильтрацией, а по касанию «кнопки».

                Автозапуск, дифференциальный CVD, серия преобразований, усреднение

                В данном примере используется следующая конфигурация периферии:

                • таймер Timer2 настроен на срабатывание раз в 10мс;
                • АЦП запускается по срабатыванию таймера (см.рис 8, п.1). АЦП производит последовательные измерения методом дифференциального CVD (п.2) с изменением полярности (п.3), вычисляет производную (разницу между 2-я CVD) (п.4), АЦП настроен на вычисление среднего значения (п.5) 32-х измерений (п.6). После выполнения 32-х пар измерений и накопления результата выполняется деление на 32 (п.7) и запрос на прерывание (п.8), последовательные измерения останавливаются (п.9) до следующего срабатывания триггера запуска (Timer2).

                Рис. 8. Настройки АЦП для варианта дифференциального CVD

                Рис. 9, Диаграмма на входе сенсора с дифференциальным CVD

                Рис.10. Реакция на касание сенсорной кнопки при дифференциальном CVD

                Из сравнения CVD (рис.7) и дифференциального CVD (рис.10) видно, что второй отличается более «чистым» сигналом с большей амплитудой.

                Вся описанная последовательность действий выполняется полностью автоматически и независимо от ядра – в это время МК может выполнять какие-то другие действия или находиться в режиме микропотребления Sleep. По прерыванию остается считать усредненное значение результата измерений.

                Мы рассмотрели еще одну часть Периферии Независимой от Ядра — АЦП с вычислителем в микроконтроллерах Microchip. Некоторые возможности, например запуск по триггеру, или CVD присутствуют во многих семействах PIC16F1xxx, но новая “фича” – ADCC (АЦП с вычислителем), появилась в семействе PIC16F188xx (PIC16F18855 и др.).

                Периферия независимая от ядра интересна сама по себе, но наибольшую пользу может принести возможность синтеза функциональных блоков, т.е. совместное использование нескольких периферийных модулей для решения конкретных задач. В этом случае тактовая частота, быстродействие и разрядность ядра уходят на второй план – аппаратная часть выполняет специализированные функции, а ядро занимается программной поддержкой изделия.