摘要：ADμC812是一種新型的高度集成的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在單個芯片內(nèi)包含了高性能的自校準(zhǔn)多通道ADC、兩個12位的DAC以及可編程的8位MCU（與8051兼容）。與MCS51系列單片機相似，它有P0～P3四個端口，其中P1口可實現(xiàn)多種功能，例如多通道的ADC、能愛畜輸入端口和用于特殊功能的輸入控制等。介紹了ADμC812的P1口的結(jié)構(gòu)原理和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：端口 A/D轉(zhuǎn)換 定時器 SPI串口

1 ADμC812的通用數(shù)據(jù)端口

ADμC812是一種新型的高度集成的高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在其片內(nèi)，不僅包含了可重新編程的非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位（與8051兼容）MCU，還包含了高性能的自校舍準(zhǔn)多通道（8個輸入通道）ADC，兩個12位DAC。ADμC812微控制器內(nèi)核與8051指令集兼容，具有9個中斷源（2個優(yōu)先級）。片內(nèi)還集成了8K字節(jié)的閃速/電擦除程序存儲器、640字節(jié)的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256字節(jié)RAM。

ADμC812共有52個管腳，使用4個通用數(shù)據(jù)端口P0～P3與外部器件進行數(shù)據(jù)交換。每一個I/O口都有自己不同的驅(qū)動執(zhí)行電路。除端口1之外都是8位雙向端口。端口1的操作是ADμC812特有的，表1說明了P1口可復(fù)用的管腳功能。

表1 P1口管腳說明

所有端口均包含位鎖存器和輸入緩沖器，I/O雙向端口還包含了輸出驅(qū)動器。由于P1口沒有輸出驅(qū)動器，所以P1口只能是輸入端口，只能被配置為數(shù)字輸入或模擬輸入，不能用于輸出，如圖1所示。ADμC812的P1口通常用于模擬輸入；當(dāng)不用于模擬輸入時，可將0寫至端口值，這樣就被設(shè)置為數(shù)字輸入方式。

2 P1口的各種功能與應(yīng)用

P1口的主要功能是ADC的模擬輸入，另外還可用于一些控制輸入、定時器2和計數(shù)器2的數(shù)字輸入以及SPI從屬選擇輸入等。

2.1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入

ADμC812中的ADC轉(zhuǎn)換塊包含了8通道、12位、單電源A/D轉(zhuǎn)換器。此模塊為用戶提供了多通道多路轉(zhuǎn)換器、跟蹤/保持、片內(nèi)基準(zhǔn)、校準(zhǔn)特性。此模塊內(nèi)的所有部件都能方便地通過3個寄存器SFR接口來設(shè)置。

A/D轉(zhuǎn)換器由基于電容DAC的常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器組成。轉(zhuǎn)換器接收的模擬輸入范圍為0至+VREF。片內(nèi)提供高精度、低漂移并經(jīng)工廠校準(zhǔn)的2.5V基準(zhǔn)電壓。內(nèi)部基準(zhǔn)可經(jīng)外部VREF引腳過驅(qū)動。外部基準(zhǔn)在2.3V至AVDD的范圍內(nèi)。

ADμC812裝有工廠編程的校準(zhǔn)系數(shù)，它在上電時自動下載到ADC，以確保最佳的ADC性能。ADC核包括內(nèi)部失調(diào)和增益校準(zhǔn)寄存器，所提供的軟件校準(zhǔn)子程序可允許用戶在需要時重寫工廠編程的校準(zhǔn)系數(shù)，以便使用戶目標(biāo)系統(tǒng)中端點誤差的影響為最小。

來自片內(nèi)溫度傳感器的電壓輸出正比于絕對溫度，它也可向前端ADC多路轉(zhuǎn)換器（實際上是第9個ADC通道輸入）傳送。

2.1.1 ADC轉(zhuǎn)移函數(shù)

ADC的模擬輸入范圍是0V至VREF。在此范圍內(nèi)，設(shè)計的代碼跳變發(fā)生在連續(xù)的整數(shù)LSB值的中間（即1/2LSB，3/2LSB，5/2LSB，……FS-（3/2）LSB）。當(dāng)VREF=2.5V時，輸出碼是直接的二進制數(shù)，1LSB=FS/4096或2.5V/4096=0.61mV。在0至VREF范圍內(nèi)理想的輸入/輸出轉(zhuǎn)移特性如圖2所示。

2.1.2 SFR至ADC塊的接口

ADμC812中ADC的工作完全由3個SFR控制，它們分別是ADCCON1、ADCCON2和ADCCON3。

2.1.2.1 ADCCON1——ADC控制SFR#1

ADCCON1寄存器控制轉(zhuǎn)換和采集時間、硬件轉(zhuǎn)換模式以及掉電模式。詳述如下：

SFR地址： FFH

SFR上電缺省值： 20H

位可尋址： 無

ADCCON1 SFR位的說明如表2所示。

表2 ADCCON1 SFR位的說明

2.1.2.2 ADCCON2——ADC控制SFR#2

ADCCON2寄存器控制ADC通道選擇和轉(zhuǎn)換模式。

詳述如下：

SFR地址： D8H

SFR上電缺省值：00H

位可尋址： 是

ADCCON2 SFR位說明如表3所示。

表3 ADCCON2 SFR位的說明

2.1.2.3 ADCCON3——ADC控制SFR#3

ADCCON3寄存器中只有一位有效，它給出ADC忙狀態(tài)的指示。詳述如下：

SFR地址： F5H

SFR上電缺省值： 00H

位可尋址： 無

ADCCON3 SFR位的說明如表4所示。

表4 ADCCON3 SFR位的說明

2.1.3 ADC工作模式

通過設(shè)置ADCCON1和ADCCON2兩個寄存器，可使ADC處于三種不同的工作模式：一種是單步轉(zhuǎn)換模式，一種是連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，還有一種是DMA工作模式。用軟件或通過把轉(zhuǎn)換信號加至外部引腳23（CONVST）可以啟動單步或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，同時還可設(shè)置定時器2的溢出位，用作ADC轉(zhuǎn)換起始觸發(fā)脈沖輸入。

DMA工作模式與其他兩種工作模式有顯著不同，若配置ADC工作在DMA工作模式，則ADC塊將進行連續(xù)轉(zhuǎn)換并把采樣值捕獲到外部RAM空間，而不需要來自MCU核的任何干預(yù)，這種自動捕獲功能可以擴展到16M字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器空間。值得注意的是，若工和于DMA工作模式，將要求用戶在中斷服務(wù)子程序中用5μs的時間完成中斷服務(wù)、讀ADC結(jié)果并為進一步的后續(xù)處理存儲結(jié)果，否則下一次ADC采樣可能會丟失。這一限制條件是由于ADμC812已把片內(nèi)ADC設(shè)計成能運行在每5μs采樣一次的最高速度（即200kHz采樣速率）。因此，在要求其他中斷速率的應(yīng)用中，不能使用ADCDMA工作模式。

現(xiàn)以我們研制的家用心電圖機為例，說明ADC的使用方法與功能實現(xiàn)。在該心電圖機中，ADC0用于心電信號的模擬輸入，將2.5V參考電壓接至VREF，由于人體心電信號在0.5mV～4mV，典型值在1mV左右，需消費品500倍的放大，落在ADC輸入電壓0～2.5V范圍之內(nèi)。因此，心電信號經(jīng)過LM324放大、濾波后輸入ADC0，進行A/D轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量以進行顯示、存儲、發(fā)送、打印等功能。在這里，A/D轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)字量，最小可分辨的信號是0.6mV,對于最小的心電信號0.5mV，經(jīng)放大后為0.25V,對于最大的心電信號4mV，經(jīng)放大后為2V，均在ADC的輸入范圍之內(nèi)。

心電圖機使用電池作為電源，當(dāng)電池電壓不足時需要提醒用戶更新電池。電源電壓為+5V，所以不能直接接至ADC的輸入端。電源電壓要經(jīng)過分壓電路進行分壓，使分壓的電壓在ADC的輸入范圍之內(nèi)。ADC1用于電源電壓分壓后的模擬輸入，進而監(jiān)測電源電壓的變化，當(dāng)電源電壓低于一定值時蜂鳴器報警，同時液晶顯示提醒用戶更換電源。若電源電壓低于4.5V時報警，則分壓后為1.5V，當(dāng)ADC1的輸入低于1.5V（0999H）時則啟動報警系統(tǒng)。

下面是利用ADC0采集心電信號的部分程序，ADC首先要初始化，即送適當(dāng)?shù)目刂谱?，根?jù)前面介紹的ADC的SFR，選擇適當(dāng)?shù)腟FR值。

由于ADC0作為心電信號的模擬輸入，選擇ADCCON1可使ADC正常工作，ADC時鐘分頻比為2。由于LM324輸出阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8kΩ，所以選擇ADC采集時鐘1，得到ADCCON1=50H。選擇通道0，可利用ADCCON2的默認(rèn)值00H。

由于ADC1作為電源監(jiān)測的模擬輸入，選擇ADCCON1可使ADC正常工作，ADC時鐘分頻比為2。由于電源阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8kΩ，所以選擇ADC采集時鐘1，得到ADCCON1=50H。選擇通道1，ADCCON2=01H。

在下面程序中，堆棧設(shè)置在60H，利用定時器0中斷后執(zhí)行采樣程序，選取采樣頻率為200Hz，因而定時器0的定時值為TL0=3Ch,TH0=F6H。由于啟動單個轉(zhuǎn)換周期完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要16×2+1=33個ADμC812主時鐘，程序中一次延時循環(huán)為2個主時鐘，因而在采樣程序中利用R0=16作為單個轉(zhuǎn)換周期，延時36個主時鐘，以完成一次采樣后的A/D轉(zhuǎn)換。ADCDATAL為A/D轉(zhuǎn)換低8位，ADCDATAH為A/D轉(zhuǎn)換高4位；R1、R2用于存放12位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，設(shè)置00H位作為采樣結(jié)束標(biāo)志位。

$MOD812

CSEG

ORG 00H

LJMP MAIN

；— — — — — —

ORG 000BH

DT0：MOV TL0，#3CH ；定時器送初值

MOV TH0，#0F6H

PUSH PSW ；現(xiàn)場保護

PUSH ACC

SETB SCONV ；ADC開始單個轉(zhuǎn)換周期

MOV R0，#10H ；轉(zhuǎn)換延時

DJNZ R0，$

MOV R1，ADCDATAL ；采樣值代低8位送內(nèi)部RAM：R1

MOV R2，ADCDATAH ；采樣值高4位送內(nèi)部RAM：R2

POP ACC ；彈出保護現(xiàn)場信息

POP PSW

SETB 00H ；置標(biāo)志位00H，代表采樣結(jié)束

RETI ；中斷返回

；— — — — — —

MAIN：MOV SP，#60H ；設(shè)置堆棧

INIAL：MOV TL0，#3CH ；第一次定時器0的定時值

MOV TH0，#0F6H

SETB EA ；開中斷使能

SETB ET0 ；開定時器0中斷允許

SETB TR0 ；開定時器0

MOV ADCCON1，#50H ；送ADCCON1

·

·

·

2.2 按鍵控制

當(dāng)不需要使用ADμC812的ADC的全部8個通道時，剩余的ADC輸入可用數(shù)字輸入端。例如，我們將P1口中的幾位用于按鍵控制的輸入端口，此時要先將0寫至端口值。需要注意的是，ADμC812的P1口用作按鍵時是高電平有效，在沒有按鍵輸入時，P1口應(yīng)保持低電平，因此在用作按鍵的P1口應(yīng)加下拉電阻（即P1.3～P1.7在沒有輸入時為低電平），阻值一般為幾千歐。在前面的例子中，按鍵分別連接到P1.3～P1.7，它們通過2kΩ的下拉電阻接至地；插座的第6腳接高電平VCC，用于觸發(fā)按鍵。當(dāng)有鍵按下時，P1.3～P1.7中的相應(yīng)位接至高電平VCC，這樣就給出了按鍵信息。通過上面的程序就可以進行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，并且采用防抖方法來提高可靠性，具體程序如下：

KEY：ANL P1，#07H ；將所有的端口置0

MOV A，P1 ；讀P1口值到A

ANL A，#0F8H ；判斷P1.3～P1.7哪一位為1

JZ KEY ；如果沒有按鍵返回繼續(xù)判斷

PUSH ACC 如果有按鍵保存按鍵信息放入累加器中

KEY 5：LCALL T100M ；調(diào)100ms延時（防抖）

ANL P1，#07H ；再次讀取按鍵信息

MOV A，P1

ANL A，#0F8H

JNZ KEY5 ；不為0說明按鍵結(jié)束

POP ACC ；彈出按鍵信息

；下面是判斷按鍵的程序：

TKEY：JB ACC.3，#FUN1 ；若ACC.3為1，執(zhí)行FUN1

JB ACC.4，#FUN2 ；若ACC.4為1，執(zhí)行FUN2

JB ACC，5，#FUN3 ；若ACC.5為1，執(zhí)行FUN3

JB ACC，6，#FUN4 ；若ACC.6為1，執(zhí)行FUN4

LJMP #FUN5 ；若ACC.7為1，執(zhí)行FUN5

RET

2.3 定時器和計數(shù)器的數(shù)字輸入

ADμC812具有3個16位的定時器/計數(shù)器，即定時器0、定時器1和定時器2。定時器/計數(shù)器硬件已包含在片內(nèi)，用以減輕用軟件實現(xiàn)定時器/計數(shù)器功能時，處理期內(nèi)核固有的負(fù)擔(dān)。每一個定時器/計數(shù)器包含兩個8位寄存器THx和TLx(x=0、1、2).。所有3個定時器/計數(shù)器均可配置成定時器或事件計數(shù)器。

在定時器功能中，每個機器周期TLx寄存器增量。因此可以把作為機器周期計數(shù)。 在計數(shù)器功能中，TLx寄存器根據(jù)其對應(yīng)的外部輸入引腳T0、T1或T0上的1至0的跳變增量。

在P1口中，T2是定時器2數(shù)字輸入，輸入至定時器/計數(shù)器2。當(dāng)被使能時，對應(yīng)于T2輸入的1至0的跳變，計數(shù)器2增量。T2EX是數(shù)字輸入，計數(shù)器2 Capture/Reload（捕獲/重載）觸發(fā)并用作計數(shù)器2Up/Down(上/下)控制輸入。在ADCCON1.1中，T2C設(shè)置定時器2轉(zhuǎn)換位，可把定時器2的溢出位用作ADC轉(zhuǎn)換起始觸發(fā)脈沖輸入。

由于ADμC812與8051有兼容的內(nèi)核，因而ADμC812定時器2的原理與功能可簡單地概括如下：

ADμC812中的定時器/計數(shù)器2是一個具有16位自動重裝載或捕獲能力的定時器/計數(shù)器，T2CON是它的專用控制寄存器，如圖3所示。在定時器和計數(shù)器工作方式下，都可以通過T2CON中的控制位CP/RL2來選擇捕獲能力或重載能力。TH2和TL2內(nèi)容的捕獲或自動重載是通過一對捕獲/重載寄存器RCAP2H和RCAP2L實現(xiàn)的。當(dāng)CP/RL2=0時，選擇自動重裝載功能，即把RCAP2H和RCAP2L的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)入TH2和TL2；當(dāng)C/RL2=1時，選擇捕獲功能，數(shù)據(jù)傳送方向恰與上述方向相反。

捕獲或重載發(fā)生于下面兩種情況：

（1）定時器2的寄存器TH2和TL2溢出時，若CP/RL2=0，則打開重裝載的三態(tài)緩沖器，把RCAP2H和RCAP2L的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)入TH2和TL2中，同時溢出標(biāo)志位置1，申請中斷。

（2）當(dāng)EXEN2=1且T2EX端的信號有負(fù)跳變時，CP/RL2是0還是1，將發(fā)生捕獲操作或重載操作，同時標(biāo)志位EXF2置1，申請中斷。例如，利用定時器2測量周期如圖4所示。

通過下面程序的運行，定時器2的TL2、TH2定時值就是周期T的值。

MOV TL2，#0

MOV TH2，#0

JNB P1.0，$

SETB TR2

JB P1.0，$

JNB P1.0，$

CLR TR2

2.4 SPI串口選擇輸入

ADμC812提供了三種串行I/O端口：UART接口、I 2C兼容的串行接口和串行外設(shè)接口（SPI）。其中，SPI接口是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，是一種全雙工、三線通訊的接口，它允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式（8位數(shù)據(jù)同時同步地被發(fā)送和接收）進行通信。主時鐘可以編程為不同的狀態(tài)，既可編程為四種不同主波特率中的任一種，又可對時鐘的極性和相位進行編程。SPI也可用于那些需要比微控制器上的并行I/O端口更多輸入端或輸出端的場合，因而提供了一種只需使用最少的微控制器引腳的擴展I/O功能的最簡單辦法。

SPI系統(tǒng)通過使用4條線與多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口：串行時鐘線SCLOCK、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS（其中SS在P1口中）。

由于ADμC812中的SPI串口有主模式和從模式兩種工作模式，因此系統(tǒng)可配置為主（Master）操作或從（Slave）操作。在用戶系統(tǒng)中，ADμC812既可作為主MCU，也可作為從MCU。在主模式下，伴隨每一位數(shù)據(jù)的發(fā)送/接收發(fā)送一次時鐘，此時ADμC812作為主機控制數(shù)據(jù)向從外圍器件傳送。而在從模式下，每一位數(shù)據(jù)都是在接收到時鐘信號之后才發(fā)送/接收，SPI總線右要軟件的控制下構(gòu)成各種簡單或復(fù)雜的系統(tǒng)。例如：1個主MCU和幾個從MCU；幾個從MCU相互連接構(gòu)成多主機系統(tǒng)（分布式系統(tǒng)）；1個主MCU和1個或幾個從I/O設(shè)備。在大多數(shù)應(yīng)用場合中，使用1個MCU作為主機，控制數(shù)據(jù)向1個或多個從外圍器件傳送。從器件只能在主機發(fā)命令下才能接收或向主機傳送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)的傳輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。

SS作為從單片機的SPI輸入端，是ADμC812特有的功能，通過SS將主單片機中的數(shù)據(jù)傳送到從單片機，從而實現(xiàn)主單片機對從單片機的信息傳送。

ADμC812的P1口兼容了MCS51系列單片機的功能，而且又有關(guān)自己獨特的多種其它可實現(xiàn)的功能。這樣，在一片單片機上利用P1口可以實現(xiàn)盡可能多的功能。