感測器連線更靈活/高效 新型ADC為MCU運算分憂

作者: 張榮寶
2021 年 09 月 06 日

對於整合在MCU中,用於連接類比感測器的ADC,設計者以往的努力多在於提高其採樣速度和量化的效能指標,比如提高ADC的解析度(精確度),減少誤差(量化誤差、偏移誤差和滿刻度誤差等),提高轉換率來採集更高頻率的輸入等等,而現今的整合ADC特性,除了提高以上效能參數,更考慮ADC在系統中的應用場景和訊號處理過程。

對於類比訊號的輸入,微控制器系統典型的處理過程如表1所示。

針對這種典型的類比訊號處理過程,MCU設計者對ADC周邊設計新的特性,以使其連接感測器更為高效。

核心獨立的事件機制

在類比訊號採樣階段, 簡便的方式就是脈衝串採樣,透過一個週期脈衝串去乘以待採樣的連續時間訊號。在MCU中,需要透過計時器來設定採樣週期T。在傳統的處理方式中,CPU必須回應計時器產生的週期性中斷,或者輪詢計時器計數器的溢出旗號,以啟動ADC。

新的ADC觸發方式則是採用事件機制,此機制提供完全由硬體自動完成的觸發到ADC產生回應的通道。在沒有任何CPU干預的情況下精確控制ADC的採樣週期。這種機制節省了中斷資源,無需軟體的參與,提高了ADC的回應速度。圖1為AVR微控制器事件系統的示意圖。

圖1 AVR微控制器中的事件系統圖示

硬體上的連動回應更為迅速直接,因為不需要CPU干預,也減少了不必要的中斷或喚醒,即使在CPU處於某種休眠狀態下,該觸發機制仍可在低功耗的情況下運行。當然除了用於觸發ADC之外,這種事件機制還可以用於其他周邊的連動。

ADC自動運算資料

ADC的轉換結果,被用來做某種類型的計算或分析。比如驗證結果是否在一定的範圍內或者用來濾除訊號中的雜訊。儘管用來濾波的軟體演算法都比較成熟,如中值濾波、算數平均濾波和滑動平均濾波等,但是無論是什麼樣的軟體演算法,都需要較大的RAM空間和CPU運算資源。首先在系統的RAM區保留一段時間內的轉換值,然後對這些轉換值進行分析、濾波並進行處理。而在MCU系統中,RAM空間都是有限的,而且軟體濾波演算法的運行,需要消耗CPU的能力和時間,導致整個轉換數值的濾波系統運行效率不高。

創新的ADC設計,使得ADC自身具有轉換後的計算功能,可以對ADC轉換的資料進行複雜的運算,而無需CPU干預。使用這種具有運算能力的智慧ADC, 在轉換完成後,結果可以透過預定的計算功能來傳遞,將不需要編寫程式碼來查看ADC結果是否落在某個視窗之內或之外,也可以直接獲取ADC平均樣本值或者濾波器樣本資料值等數據。這種運算由ADC周邊本身執行,加速了通常由軟體完成的算術任務,不再需要占用CPU資源和額外的RAM緩衝空間,如圖2 PIC Q10系列MCU上ADC的計算功能簡化框圖所示,可以透過配置ADC的ADMD位元來控制ADC計算模組以選擇五種不同的操作模式之一,包含基本模式、累加模式、平均模式、突發平均模式和低通濾波器模式等。

圖2 PIC Q10微控制器中的ADC計算模組框圖

自動保存上下文

在感測器系統應用中,經常會遇到多個類比輸入通道共用一個內部ADC硬體的情況。比如在一個環境檢測系統中,溫度、濕度、氣壓和光線強度等感測器的類比輸入將會使用同一個ADC(同一個採樣保持電路)的不同通道。ADC透過切換各個通道,分時進行A/D轉換。對於複用ADC的類比輸入,每個通道的控制方式都可能是不同的,比如狀態和資料暫存器配置和轉換後的計算方式等。例如,通道一將ADC配置為突發平均模式,通道二將ADC配置為累加模式等不同通道的獨特控制方式,使得ADC在切換通道時需要附加軟體開銷,像是首先停止ADC,按照ADC採集通道的預定順序找到相應的狀態和暫存器,重新配置對應的控制方式,再啟動ADC,運行過程中的頻繁切換無疑降低了ADC的運作效率。

為解決上述問題,新的ADC把每個通道的特定轉換控制方式,按照預定採集順序,保存為上下文。該上下文只能透過A/D上下文選擇暫存器,或者直接記憶體存取(DMA)。這樣ADC運作時,ADC硬體模組會自動從記憶體中傳輸當時活動通道的上下文,進入相關的ADC暫存器並執行所需的轉換。這樣就顯著提高了ADC切換通道採集資料的效率,也不占用CPU資源。廠商如Microchip將帶有運算特性的ADC稱為ADC with Computation(ADCC),而將帶有上下文保存特性的ADCC稱為ADC with Computation and Context(ADCCC)。

新型ADC降低CPU負載

微控制器和感測器連接的應用越來越多,MCU設計者一直在擴充其MCU周邊的功能。類似ADC上這些新功能的創新,已不僅僅在其自身轉換方面,而是實現了與其他周邊連動啟動採樣,轉換後的計算,以及多個複用通道的自動切換等,整合了針對類比訊號處理鏈路上的多個環節。這些環節可以自動運行,不占用系統匯流排,這對降低CPU負載,降低系統功耗,增強系統回應效率,增強系統健壯性等都有非常大的意義。微控制器設計者以其創新性的智慧,以及對嵌入式系統應用細緻入微的洞察,將會使得MCU和感測器的連接應用設計,越來越靈活且高效。

(本文作者為Microchip MCU8產品部市場推廣經理)

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