ARM的AD接口实验报告

ARM的A/D接口实验

一、实验目的

1．熟悉ARM 本身自带的八路十位A/D 控制器及相应寄存器。 2．编程实现ARM 系统的A/D 功能。

3．掌握带有A/D 的CPU 编程实现A/D 功能的主要方法。

二、实验内容

学习A/D 接口原理，了解实现A/D 系统对于系统的软件和硬件要求。阅读ARM 芯片文档，掌握ARM 的A/D 相关寄存器的功能，熟悉ARM 系统硬件的A/D 相关接口。利用外部模拟信号编程实现ARM 循环采集全部前4 路通道，并且在超级终端上显示。

三、预备知识

1．用ADS1.2 集成开发环境，编写和调试程序的基本过程。 2．ARM 应用程序的框架结构。

3．能够自己完成在LCD 上显示指定参量。

四、实验设备及工具

硬件：ARM 嵌入式开发平台、用于ARM7TDMI 的JTAG 仿真器、PC 机Pentium100 以上、模拟电压信号源。

软件：PC 机操作系统win98、Win2000 或WinXP、ARM SDT 2.51 或ADS1.2 集成开发环境、仿真器驱动程序、超级终端通讯程序。

五、实验原理及说明

1．A/D 转换器

A/D 转换器是模拟信号源和CPU 之间联系的接口，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机和数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及许多其他领域中，A/D 转换是不可缺少的。

A/D 转换器有以下类型：逐位比较型、积分型、计数型、并行比较型、电压－频率型，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度、精度、价格、功能以及接口条件等因素来决定选择何种类型。常用的有以下两种： 1）双积分型的A/D 转换器

双积分式也称二重积分式，其实质是测量和比较两个积分的时间，一个是对模拟输入电压积分的时间T0，此时间往往是固定的；另一个是以充电后的电压为初值，对参考电源Vref反向积分，积分电容被放电至零所需的时间T1。模拟输入电压Vi 与参考电压VRef 之比，等于上述两个时间之比。由于VRef 、T0 固定，而放电时间T1 可以测出，因而可计算出模拟输入电压的大小(VRef 与Vi 符号相反)。由于T0、VRef 为已知的固定常数，因此反向积分时间T1 与输入模拟电压Vi 在T0 时间内的平均值成正比。输入电压Vi 愈高，VA 愈大，T1 就愈长。在T1 开始时刻，控制逻辑同时打开计数器的控制门开始计数，直到积分器恢复到零电平时，计数停止。则计数器所计出的数字即正比于输入电压Vi 在T0 时间内的平均值，于是完成了一次A/D 转换。由于双积分型A/D 转换是测量输入电压Vi 在T。时间内的平均值，所以对常态干扰(串模干扰)有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号，抑制效果更好。双积分型的A/D 转换器电路简单，抗干扰能力强，精度高，这是突出的优点。但转换速度比较慢，常用的A/D 转换芯片的转换时间为毫秒级。例如12 位的积分型A/D 芯片

ADCETl2BC，其转换时间为lms。因此适用于模拟信号变化缓慢，采样速率要求较低，而对精度要求较高，或现场干扰较严重的场合。例如在数字电压表中常被采用。

2）逐次逼近型的A/D 转换器

逐次逼近型(也称逐位比较式)的A/D 转换器，应用比积分型更为广泛，其原理框图如图2-17 所示，主要由逐次逼近寄存器SAR、D/A 转换器、比较器以及时序和控制逻辑等部分组成。它的实质是逐次把设定的SAR 寄存器中的数字量经D/A 转换后得到电压Vc 与待转换模拟电压V。进行比较。比较时，先从SAR 的最高位开始，逐次确定各位的数码应是“1”还是“0”，其工作过程如下：

转换前，先将SAR 寄存器各位清零。转换开始时，控制逻辑电路先设定SAR 寄存器的最高位为“1”，其余位为“0”，此试探值经D/A 转换成电压Vc，然后将Vc 与模拟输入电压Vx比较。如果Vx≥Vc，说明SAR 最高位的“1”应予保留；如果Vx

逐次逼近式的A/D 转换器的主要特点是：

转换速度较快，在1—100/μs 以内，分辨率可以达18 位，特别适用于工业控制系统。转换时间固定，不随输入信号的变化而变化。抗干扰能力相对积分型的差。例如，对模拟输入信号采样过程中，若在采样时刻有一个干扰脉冲迭加在模拟信号上，则采样时，包括干扰信号在内，都被采样和转换为数字量，这就会造成较大的误差，所以有必要采取适当的滤波措施。

图2-17 逐次逼近式A/D 转换原理图

2．A/D 转换的重要指标 1）分辨率(Resolution)：

分辨率反映A/D 转换器对输入微小变化响应的能力，通常用数字输出最低位(LSB)所对

n

应的模拟输入的电平值表示。n 位A/D 能反应1/2 满量程的模拟输入电平。由于分辨率直

接与转换器的位数有关，所以一般也可简单地用数字量的位数来表示分辨率，即n 位二进制数，最低位所具有的权值，就是它的分辨率。

值得注意的是，分辨率与精度是两个不同的概念，不要把两者相混淆。即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性度等原因，而使其精度不够高。 2）精度(Accuracy)

精度有绝对精度(Absolute Accuracy)和相对精度(Relative Accuracy)两种表示方法。 ① 绝对误差

在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差并非是一个常数。我们把它们之间的差的最大值，定义为“绝对误差”。通常以数字量的最小有效位(LSB)的分数值来表示绝对误差，例如： ± 1LSB 等。绝对误差包括量化误差和其它所有误差。 ② 相对误差

是指整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。

例如，满量程为10V，10 位A/D 芯片，若其绝对精度为± 1/2LSB，则其最小有效位的量化单位：9.77mV，其绝对精度为＝4.88mV，其相对精度为0.048%。 3）转换时间(Conversion Time)

转换时间是指完成一次A/D 转换所需的时间，即由发出启动转换命令信号到转换结束信号开始有效的时间间隔。

转换时间的倒数称为转换速率。例如AD570 的转换时间为25us，其转换速率为40KHz。 4）电源灵敏度(power supply sensitivity)

电源灵敏度是指A/D 转换芯片的供电电源的电压发生变化时，产生的转换误差。一般用电源电压变化1％时相当的模拟量变化的百分数来表示。 5）量程

量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。 例如，单极性 量程为0～+5V，0～+10V，0～+20V；

双极性 量程为-5～+5V，-10～+10V。

6）输出逻辑电平

多数A/D 转换器的输出逻辑电平与TTL 电平兼容。在考虑数字量输出与微处理的数据总线接口时，应注意是否要三态逻辑输出，是否要对数据进行锁存等。 7）工作温度范围

由于温度会对比较器、运算放大器、电阻网络等产生影响，故只在一定的温度范围内才能保证额定精度指标。一般A/D 转换器的工作温度范围为（0~700C），军用品的工作温度范围为（-55~+1250C）。

3．ARM 自带的十位A/D 转换器

S3C440BX 芯片自带一个８路10 位A/D 转换器，该转换器可以通过软件设置为Sleep 摸式，可以节电减少功率损失，最大转换率为500K，非线性度为正负１位，其转换时间可以通过下式计算：如果系统时钟为66MHz，比例值为9，则为66MHz/2 (9+1)/16 (完成转换至少需要16 个时钟周期)=205.25KHz（相当于4.85us）ARM 芯片与A/D 功能有关的引脚为以下几个，其中AIN[7:0]为8 路模拟采集通道，AREFT为参考正电压，AREFB 为参考负电压，AVCOM 为模拟共电压。

表2-24 S3C44B0 自带A/D 功能有关的引脚 信号 ADC I/O 描述 AIN[7:0] AREFT AREFB AVCOM AI AI AI AI ADC 输入[7:0] ADC Vref ADC Vref ADC Vref 在电路中，对上述引脚需要按照图2-18 所示加上电容。

图2-18 外部引脚配置参考

与AD 相关的寄存器主要是以下三个：

1）ADCPSR：采样比率寄存器。其地址和意义参见表2-25 和表2-36：

表2-25 采样比率寄存器地址 寄存器 ADCPSR 地址 R/W 描述 采样比率寄存器 复位值 0x0 0x01D40004(Li/W,Li/HW,Li/B,Bi/W) R/W 0x01D40006(Bi/HW) 0x01D40007(Bi/B) 表2-26 采样比率寄存器地址的位描述 ADCPSR PRESCALER 位 [7:0] 描述 比率值(0~255)除数因子=2(寄存器+1)ADC转换的整个时钟=2*（寄存器值+1）*16 初始化状态 0 通过设置该寄存器，可以设置采样率，最后得到的除数因子＝2（寄存器值＋１）。 参考：ADCPSR=20。

2）ADCCON：采样控制寄存器。其地址和意义参见表2-27 和2-28：

表2-27 采样控制寄存器的地址 寄存器 ADCCON 地址 R/W 描述 采样控制寄存器 复位值 0x20 0x01D40000(Li/W,Li/HW,Li/B,Bi/W) R/W 0x01D40002(Bi/HW) 0x01D40003(Bi/B) 表2-28 采样控制寄存器的位描述 ADCCON 标志 休眠 输入选择 位 [6] [5] 描述 初始化状态 采样状态标志（只读）0=采样中1=采样结束 0 系统掉电0=标准操作，1=休眠模式 1 [4:2] 时钟脉冲源选择000=AIN 0001 = AIN1 010 = 00 AIN2 011 = AIN3 100 =AIN4 101 = AIN5110 = AIN6 111 = AIN7 读开始 [1] 通过读来进行采样 0=不通过读操作开始 1=通过读操作开始 00 使能开始 [0] 通过使能使采样开始 如果READ_START使能，该值无效0=无操作 1=模/数转换开始，在开始后这个位清零 0 该寄存器的0 位是转换使能位，写１表示转换开始。１位是读操作使能转换，写１表示转换在读操作时开始。2、3、4 位是通道号。5 位为睡眠模式设定，6 位为转换标志位（只读）。

通过该寄存器设置A/D 转换开始可以参见下例： rADCCON=0x11(通道４开始转换)。

3）ADCDAT：转换结果数据寄存器。该寄存器的十位表示转换后的结果，全为１时为满量程2.5 伏。

4．AD 转换器在开发平台的接法如下：

即前四路通过分压电位器接到2.5v 电源上，如下图2-19 所示。

图2-19 AD 转换器在扩展版的接法

六、实验步骤

1．ADS中新建工程，将“Exp5 ARM A/D 接口实验”种的文件添加到工程。 2．编写获取转换结果函数（main.c），画出程序流程图。 3．画出主函数(main.c)程序流程图

7．调试运行。将编译生成的system.bin的目标文件送入实验箱执行，记录运行调试结果。