MSP430_cz6.pdf

PODZESPOŁY

MSP430: mikrokontrolery,

które (prawie) nie

pobierają prądu, część 6

12–bitowy przetwornik A/C

Mikrokontrolery MSP430 mogą być wyposażone w dużą liczbę różnorodnych

peryferiów. Czyni to z nich uniwersalne narzędzie do zadań o zmieniającym

się charakterze. Standardem w elektronice jest konieczność „penetracji” świata

analogowego, co powoduje, że niezbędnym wyposażeniem mikrokontrolerów

są przetworniki analogowo–cyfrowe.

Pierwszy przykład wykorzystania 12–bitowego przetwornika SAR wbudowanego

w mikrokontroler MSP430 przedstawiamy w artykule, kolejne za miesiąc.

S/H, w drugim odbywa się

„właściwa” konwersja. Czas

trwania etapu S/H można

wybrać (bit ADC12CTL1.

SHP) poprzez odpowiednią

konﬁgurację licznika (bity

ADC12CTL1.SHT0,1) lub

sterować nim bezpośrednio

sygnałem wyzwalania SHI.

Multiplekser analogowy

pozwala wybrać do kon-

wersji, poza portami pro-

cesora, dodatkowo wejścia

zewnętrznych referencji,

wyjście czujnika temperatu-

ry i dzielnika napięcia za-

silania. Napięcia wejściowe

nie mogą przekroczyć na-

pięć zasilania.

Przetwornik może pra-

cować w czterech trybach

(bity ADC12CTL1.CONSEQ):

pojedynczej konwersji jedne-

go kanału, pojedynczej sek-

wencji kanałów, sekwencyj-

nej konwersji pojedynczego

kanału oraz sekwencyjnej

konwersji wielu kanałów.

Dodatkowo bit ADC12CTL0.

Mikrokontrolery z rodzi-

ny MSP430 mogą być wy-

posażone w dwa typy prze-

tworników: SAR, 10– lub

12–bitowy, alternatywnie 16–

bitowy Σ–∆ ( Sigma–Delta ).

Ponieważ mikrokontroler

MSP430F449, zastosowany

w zestawie uruchomienio-

wym (opisanym w EP12/

2007), wyposażono w 12–

bitowy przetwornik SAR,

w artykule skupimy się na

prezentacji jego obsługi.

W konﬁguracji testowej

wykorzystano ośmiocyfrowy

wyświetlacz siedmiosegmen-

towy LCD. Przykłady napi-

sano w C w środowisku IAR

(bezpłatna wersja kickstart ,

publikujemy ją na CD–EP2/

2008B).

śla minimalny czas kon-

wersji równy 2,1 ms (czyli

475 kHz). Poprawna praca

modułu wymaga zasilania

w zakresie 2,2…3,6 V.

Moduł przetwornika ma

możliwość podłączenia ze-

wnętrznych napięć odniesie-

nia. Wyższy potencjał powi-

nien mieć wartość większą

od 1,4 V, mniejszą zaś od

napięcia zasilania, a niższy

potencjał – wartość mniej-

szą od 1,2 V, ale oczywiście

większą lub równą 0 V. Daje

to możliwość dość swobod-

nego operowania zakresem

i rozdzielczością pomiarową

przetwornika. Dostępny jest

również wewnętrzny moduł

referencji o dwóch napię-

ciach 1,5 lub 2,5 V (wybór

bitem ADC12CTL0.REF2_

5V). Rozrzut produkcyjny

napięć referencyjnych mo-

dułu wynosi 4%, zaś sta-

bilność temperaturowa nie

jest gorsza niż ±100 ppm.

Wyboru konﬁguracji referen-

cji dokonuje się w rejestrach

każdej z pamięci bufora wy-

ników (bity ADC12MCTL0–

15.SREF).

Źródłem sygnału tak-

tującego przetwornik może

być jeden z głównych ze-

garów procesora lub nieza-

leżny oscylator RC o czę-

stotliwości ok. 5 MHz (bity

ADC12CTL1.ADC12SSEL).

W miarę potrzeby sygnał

zegarowy można dodatko-

wo podzielić przez war-

tość całkowitą 1…8 (bity

ADC12CTL1.ADC12DIV).

Wyzwalanie konwersji

może być zrealizowane pro-

gramowo (bit ADC12CTL0.

ADC12SC) lub sprzęto-

wo z wykorzystaniem jed-

nego z liczników. Można

przy tym zdeﬁniować ro-

dzaj zbocza wyzwalania

(bit ADC12CTL1.ISSH). Sam

proces konwersji podzie-

lony jest na dwa etapy.

W pierwszym jest zapamię-

tywana wartość w module

Architektura ADC12

Sercem przetwornika

ADC12 jest 12–bitowy rdzeń

SAR. Dokonuje on konwersji

napięcia do postaci cyfro-

wej, posługując się dwoma

potencjałami referencyjnymi.

Błąd konwersji nie powinien

typowo przekroczyć ±2LSB.

Czas konwersji zamyka się

w 13 taktach zegarowych.

Częstotliwość taktowania

rdzenia nie powinna prze-

kroczyć 6,3 MHz, co okre-

Przetworniki SAR

Przetwornik SAR ( Successive Approximation Register ) występuje

w mikrokontrolerach MSP430 wersji 10– lub 12–bitowej. Poza

rozdzielczością, odróżnia je jeszcze moduł zapisu wyników konwersji.

W ADC12 jest wydzielony oddzielny obszar pamięci o wielkości 16

słów (12–bitowych), zaś w ADC10 jest pojedynczy rejestr wyniku oraz

moduł transferu w dowolny dostępny pamięci. Główne bloki funkcjonalne

przetwornika SAR to: moduł referencyjny (1,5 V oraz 2,5 V), multiplekser

analogowy, moduł S/H ( Sample–And–Hold ), dzielnik do pomiaru napięcia

zasilania oraz czujnik temperatury mikrokontrolera.

Przetworniki Σ – ∆

16–bitowy przetwornik Σ – ∆ ( Sigma–Delta ) również cechuje własna

referencja (1,2 V), multiplekser analogowy na wejściu i wbudowany

czujnik temperatury. Dodatkowo wyposażono go we wzmacniacz PGA

( Programmable Gain Ampliﬁer ) oraz może występować w wersji potrójnej

(trzy rdzenie przetwarzające). Wyniki konwersji w tym przetworniku

zapisywane są do pojedynczego rejestru.

Elektronika Praktyczna 2/2008

PODZESPOŁY

MSC pozwala na zapętlenie

pracy przetwornika bez syg-

nału wyzwalania.

Wyniki konwersji zapisy-

wane są do 16–pozycyjnego

bufora wyników. Każda ko-

mórka pamięci bufora ma

swoją reprezentację w posta-

ci rejestru konﬁguracyjnego.

Określa się w nim kanał

wejściowy (ADC12MCTL0–

15.INCH) oraz konﬁgura-

cję napięć referencyjnych

(ADC12MCTL0–15.SREF).

Zapis rozpoczyna się od

pozycji określonej poprzez

bity ADC12CTL1.CSTAR-

TADD. W przypadku sek-

wencji pomiarów, każdy

następny wynik zapisywany

jest do kolejnej komórki.

Koniec sekwencji określa bit

ADC12MCTL0–15.ESC.

Zapis do którejkolwiek

komórki pamięci wyni-

ków może wywołać prze-

rwanie (rejestry ADC12IE

i ADC12IFG), przy czym ist-

nieje możliwość rozróżnienia

źródła przerwania (rejestr

ADC12IV). Dodatkowo moż-

na wywołać przerwanie od

przepełnienia lub od prze-

kroczenia czasu S/H.

Rys. 21. Schemat blokowy przetwornika ADC12

Pomiar temperatury

W pierwszym przykła-

dzie wykorzystamy czujnik

temperatury wbudowany

w strukturę mikrokontrolera.

Jest nim złącze półprzewod-

nikowe zasilane źródłem

prądowym o wydajności ok.

100 mA. W temperaturze 0°C

spadek napięcia na czujniku

wynosi 986 mV. Niestety

dopuszcza się 5% rozrzut

produkcyjny tej wartości.

Współczynnik nachylenia

krzywej skalowania wynosi

3,55 mV/°C z 3% błędem.

Bez skalowania pomiar tem-

peratury nie jest zbyt do-

kładny.

W pierwszej kolejności

konﬁgurowany jest prze-

twornik. Założono, że każda

konwersja będzie inicjowana

w pętli głównej, a podczas

jej trwania procesor bę-

dzie usypiany. Wymusza

to konieczność wykorzysta-

nia oscylatora ADC12OSC

do taktowania przetwor-

nika (bity ADC12CTL1.

ADC12SSEL ). Ponieważ

pomiar temperatury nie

wymaga dużych prędko-

ści zegara wybrano współ-

czynnik podziału dzielnika

przez 8 (bity ADC12CTL1.

ADC12DIV ). Częstotli-

wość zegara przetwornika

ADC12CLK wynosi zatem:

Tab. 3. Rejestry przetwornika ADC12

Rejestr

Nazwa

Typ Adres Stan

Rejestr kontrolny nr 0

ADC12CTL0 R/W 01A0h Reset z POR

SHT1

SHT0

MSC REF2_5V REFON ADC12ON ADC12

OVIE

ADC12

TOVIE ENC ADC12SC

Rejestr kontrolny nr 1

ADC12CTL1 R/W 01A2h Reset z POR

CSTARTADD

SHS SHP ISSH

ADC12DIV ADC12SSEL CONSEQ

ADC12

BUSY

Flagi przerwań ADC12IFG R/W 01A4h Reset z POR

Flagi zezwoleń przerwania ADC12IE R/W 01A6h Reset z POR

Wektor ident. przerwania ADC12IV R 01A8h Reset z POR

Rejestry wyniku 0...15 ADC12MEM0..ADC12MEM15 R/W 0140h...015Eh niezmieniony

Rejestry kontrolne wyniku 0...15 ADC12MCTL0..ADC12MCTL15 R/W 080h...08Fh Reset z POR

��$�%$(, � F�B�

O �*$F�B�

Dla przetwornika tempe-

ratury wymagany jest czas

S/H co najmniej 30 ms. Do

EOS SREF

INCH

Elektronika Praktyczna 2/2008

PODZESPOŁY

wyznaczenia wymaganego

podziału SHT wykorzystamy

poniższą formułę:

List. 7. Pomiar temperatury struktury mikrokontrolera

// Plik naglowkowy

#include „msp430x44x.h”

// Zmienne globalne

signed short temperatura = 0;

// Przerwanie po zakonczonej konwersji

#pragma vector = ADC12_VECTOR

__interrupt void ISR_ADC12(void)

{

temperatura = ADC12MEM0;

__low_power_mode_off_on_exit(); // LPM exit

}

// Inicjacja przetwornika ADC12

void ADC12Init(void)

{

ADC12CTL0 = SHT0_3 + SHT1_3 + REFON + ADC12ON;

// ADC12, SHtime->32, SingleConv, Ref->1.5V,

turn on ADC12

ADC12CTL1 = CSTARTADD_0 + SHS_0 + SHP + ADC12DIV_7 + ADC12SSEL_1 + CONSEQ_0;

// MEM0, ADCosc, ACLK/8, Single sequence,

ADC12MCTL0 = SREF_1 + INCH_10; // 0..Vref, in -> temp

ADC12IE = 0x0001; // MEM0->przerwanie

ADC12CTL0 |= ENC; // włącz konwersję (czekaj na wyzwolenie)

}

// Glowna funkcja

void main(void)

{

unsigned short ShortTmp1, ShortTmp2; // Zmienne pomocnicze

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // watchdog, off

__enable_interrupt(); // system przerwan, wlaczony

ADC12Init(); // inicjacja przetwornika ADC

while (true) // glowna petla

{

ADC12CTL0 |= ADC12SC; // wyzwolenie pojedynczej konw.

__low_power_mode_3(); // LPM3

ShortTmp2 = temperatura; // Przeliczenie wartosci

ShortTmp2 = ShortTmp2 << 3; // * 13 / 128 -> 0,102

ShortTmp1 = temperatura << 2;

ShortTmp1 += temperatura;

ShortTmp2 += ShortTmp1;

ShortTmp2 = ShortTmp2 >> 7;

temperatura = ShortTmp2 - 278; // offset

__no_operation();

}

SHT =30[ms]·625[kHz]=18,75

Najbliższy (większy)

współczynnik to 32 (bity

ADC12CTL0.SHT0,1).

Ponieważ przetwornik

ma być wyzwalany progra-

mowo, należy wybrać jako

źródło wyzwalania sygnał

ADC12SC (bity ADC12CTL1.

SHS). Należy pamiętać rów-

nież o bicie ADC12CTL1.

SHP=1, który rozróżnia

funkcję wyzwalania od

bezpośredniego sterowania

mechanizmem S/H prze-

twornika. Tryb pojedyn-

czej konwersji ustawiamy

poprzez bity ADC12CTL0.

MSC=0 oraz ADC12CTL1.

CONSEQ=0.

Zaplanowano, że wynik

konwersji będzie zapisywany

do pierwszej komórki bufo-

ra (bity ADC12CTL1.CSTAR-

TADD). Ponieważ przetwor-

nik będzie pracował w trybie

pojedynczej konwersji, nale-

ży skonﬁgurować tylko ten

rejestr konﬁguracyjny, który

odnosi się do tej komór-

ki (rejestr ADC12MCTL0).

W rejestrze tym wybiera-

my kanał 10 multipleksera

(bity ADC12MCTL0.INCH)

oraz określamy źródło na-

pięć referencyjnych (bity

ADC12MCTL0.SREF). Za-

łożono wykorzystanie we-

wnętrznego źródła referen-

cyjnego (ADC12CTL0.RE-

FON) o napięciu 1,5 V.

Ostatni etap konﬁgura-

cji przetwornika to włącze-

nie przerwania p o zapisie

wyniku do pamięci (bity

ADC12IE.ADC12IE0). Obsłu-

ga przerwania ogranicza się

do przepisania przetworzo-

nej wartości do zmiennej

globalnej ( temperatura ) oraz

wyprowadzenie procesora

z trybu uśpienia.

Pętla główna programu,

poza wyzwalaniem konwer-

sji, zawiera algorytm prze-

kształcenia wartości nie-

mianowanej (w bitach) na

temperaturę w °C. Funkcja

temperatury jest określona

zależnością:

��#��.��4��.-��

' � -$ �� . � � �+ ��7O*� �+ �

�!FF� �+ � -$ �

w przypadku, gdy mikrokon-

troler nie potraﬁ sprzętowo

mnoż yć i dzielić, kompi-

lator dołączy do kodu do-

datkową bibliotekę, a samo

przeliczanie będzie dłu-

go trwać. Jeżeli nie zależy

nam na optymalizacji, za-

równo wielkości programu,

jak i szybkości jego działa-

nia, to rzeczywiście nie ma

sensu gimnastykować umy-

słu. Warto jednak wiedzieć,

że w większości przypad-

ków optymalizacja z bardzo

dobrym skutkiem nie jest

skomplikowana. Proszę za-

uważyć, że wartość 0,103

można zastąpić ułamkiem

z dość dobrym przybliże-

niem:

przez liczbę 2. Wynika to

z systemu dwójkowego ja-

kim się posługuje. Dzielenie

i mnożenie przez 2 to prze-

cież nic i nnego jak prze-

suwanie w lewo lub w pra-

wo. Dlateg o bardzo ważne

aby w mianowniku naszego

uła mka znalazła się całko-

wita potęga liczby 2. Licz-

nik również warto rozłożyć

na sumę całkowitych potęg

2. Tak za implementowa -

na fun kcja tran slac ji będ zie

wykonywała się znacznie

s zybc iej i zajmowała mniej

pamięci kodu. Dopełniając

idei optymalizacji wykorzy-

stajmy do obliczeń zmien-

ne lok alne u mie szcza ne

w rejestrach oraz zapiszmy

działania w postaci krótkich

formuł. Wyznaczona wartość

temperatury znajduje się

w zmiennej temperatura .

Piotr Tadrzak

Contrans TI

gdzie, U S – spadek na-

pięcia na czujniku wyzna-

czany z pon iższej for muły:

��4�5��#0�

. � � �+ �� . �� + �

$ "$

� $ ��

. � � �+ �� "F�� + �

��7* � $ �� !�**� �+ �� $ ��

gdzie, C temp – wyni k kon-

wersji analogowo–cyfrowej

pr zetwornika 12–bitowego.

W wyniku podstawienia

otrzymujemy osta teczną za-

leżność:

��#4��-��.��

' � -$ �� !�**� �+ �� $ �� 7O*� �+ �

�!FF� �+ � -$ �

' � -$ ��!"�� -$ �� $ �� $EO

"$O � $ � $ $ "

$ E ��!"�$

�!FF� �+ � -$ �

' � -$ ��!"�� -$ �� $ �� $EO

Przy rozkładzie należy

kierować się podstawową

zasadą: procesor potraﬁ bar-

dzo szybko mnożyć i dzielić

W języku C taką za-

leżność można zaimple-

mentować wprost, jednak

Elektronika Praktyczna 2/2008

��7* � $ �� !�**� �+ �� $ ��

' � -$ �� !�**� �+ �� $ �� 7O*� �+ �

��

�!"�� "�

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: