Stellaris系列微控制器的ADC過采樣技術(shù)（二）
加入技術(shù)交流群
//
// 定序器將被其中一個通用定時器觸發(fā)
//
ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 0, ADC_TRIGGER_TIMER, 0);
ADCSoftwareOversampleConfigure(ADC_BASE, 0, 8);
ADCSoftwareOversampleStepConfigure(ADC_BASE, 0, 0, (ADC_CTL_CH1
| ADC_CTL_IE | ADC_CTL_END));
//
// 初始化定時器0，每隔10ms觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換
//
TimerConfigure(TIMER0_BASE, TIMER_CFG_32_BIT_PER);
TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_A, SysCtlClockGet() / 100);
TimerControlTrigger(TIMER0_BASE, TIMER_A, true);
代碼段1.a的ADC配置表示在采樣完成時產(chǎn)生一個中斷，這樣就必須具有中斷處理程序（見代碼段1.b）。驅(qū)動庫的過采樣函數(shù)自動將采樣的數(shù)據(jù)進行平均，因此，中斷處理函數(shù)相對來說也是很基礎(chǔ)的。但要記?。阂獙⒚看沃袛嘀杏嬎愕钠骄岛陀嬎愕拈_銷提供給中斷處理程序。
代碼段1.b ADC中斷處理程序
void
ADCIntHandler(void)
{
long lStatus;
//
// 清除ADC中斷
//
ADCIntClear(ADC_BASE, 0);
//
// 獲得ADC的平均數(shù)據(jù)
//
lStatus = ADCSoftwareOversampleDataGet(ADC_BASE, 0, g_ulAverage);
//
// 占位符，供ADC處理數(shù)據(jù)
//
}
在將配置步驟和中斷處理程序放在適當(dāng)位置后，啟動轉(zhuǎn)換處理。定時器打開（開始計數(shù)）之前，ADC定序器和中斷必須使能（見代碼段1.c）。
代碼段1.c 使能ADC和中斷
//
// 使能ADC定序器0及其中斷 (在ADC和NVIC中)
//
ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 0);
ADCIntEnable(ADC_BASE, 0);
IntEnable(INT_ADC0);
//
//使能定時器并啟動轉(zhuǎn)換處理
//
TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_A);
使用多個定序器或一個定時器實現(xiàn)大于8倍的過采樣
驅(qū)動庫的過采樣函數(shù)最大只能進行8倍過采樣（根據(jù)采樣定序器的硬件限制），因此需要更大過采樣因子的應(yīng)用必須使用其它的實現(xiàn)。本小節(jié)將描述如何使用下面的兩種方法：在過采樣頻率下運行的多個采樣定序器和一個定時器來解決這個問題。
例2：使用多個采樣定序器的16x過采樣
采樣定序器的靈活性允許對其進行多種配置。將采樣定序器0-2累積起來可獲得16個采樣（8+4+4），因此使用采樣定序器0-2可實現(xiàn)16倍過采樣。為使該級別的過采樣能夠工作，定序器中的所有階段必須設(shè)置為對相同的模擬輸入進行采樣，這意味著丟棄了使用一個定序器采樣多個輸入的功能。
代碼段2.a使用定序器0-2配置一個10ms的周期轉(zhuǎn)換。使用一個定時器觸發(fā)就可啟動所有3個定序器的采樣操作，而無需復(fù)雜的觸發(fā)配置。為獲得所需的結(jié)果，要對采樣定序器的優(yōu)先級進行配置，這樣，采樣定序器2的優(yōu)先級最低（即它最后采樣），并且在采樣定序器2的最后一步之后，配置為發(fā)出一個“轉(zhuǎn)換結(jié)束”中斷。
代碼段2.a ADC配置－多個采樣定序器
//
// 初始化ADC，以便使用定序器0-2對通道1進行16x過采樣
// 轉(zhuǎn)換操作通過GPTM觸發(fā)
//
ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 0, ADC_TRIGGER_TIMER, 0);
ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 1, ADC_TRIGGER_TIMER, 1);
ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 2, ADC_TRIGGER_TIMER, 2);
//
// 配置定序器0的序列步驟（sequence step）
//
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 0, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 1, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 2, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 3, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 4, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 5, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 6, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 0, 7, (ADC_CTL_CH1 | ADC_CTL_END));
//
//配置定序器1的序列步驟
//
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 1, 0, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 1, 1, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 1, 2, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 1, 3, (ADC_CTL_CH1 | ADC_CTL_END));
//
//配置定序器2的序列步驟
//
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 2, 0, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 2, 1, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 2, 2, ADC_CTL_CH1);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 2, 3, (ADC_CTL_CH1 | ADC_CTL_IE
| ADC_CTL_END));
//
// 初始化定時器0，每隔10ms觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換
//
TimerConfigure(TIMER0_BASE, TIMER_CFG_32_BIT_PER);
TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_A, SysCtlClockGet() / 100);
TimerControlTrigger(TIMER0_BASE, TIMER_A, true);
在代碼段2.b中，中斷處理程序必須收集FIFO的數(shù)據(jù)并進行平均計算。因為不需要處理函數(shù)開銷就可以獲得所需的結(jié)果，所以不使用ADCSequenceDataGet函數(shù)，并且使用直接的寄存器讀操作來清空定序器的FIFO。而使用ADCSequenceDataGet時，要求函數(shù)定義一個額外的8入口采樣緩沖區(qū)，即使使用直接的寄存器讀操作，中斷處理程序中執(zhí)行的總和計算和平均計算仍然會有可計算的開銷。
代碼段2.b ADC中斷處理程序
void
ADCIntHandler(void)
{
unsigned long ulIdx;
unsigned long ulSum = 0;
//
// 清除中斷
//
ADCIntClear(ADC_BASE, 2);
//
// 獲得來自定序器0的數(shù)據(jù)
//
for(ulIdx = 8; ulIdx; ulIdx--)
{
ulSum += HWREG(ADC_BASE + ADC_O_SSFIFO0);
}
//
// 獲得來自定序器1和2的數(shù)據(jù)
//
for(ulIdx = 4; ulIdx; ulIdx--)
{
ulSum += HWREG(ADC_BASE + ADC_O_SSFIFO1);
ulSum += HWREG(ADC_BASE + ADC_O_SSFIFO2);
}
//
// 將過采樣的數(shù)據(jù)進行平均
//
g_ulAverage = ulSum >> 4;
//
// 占位符，以便ADC處理代碼
//
}
在啟動轉(zhuǎn)換處理之前，將采樣定序器和中斷使能（見代碼段2.c）。
代碼段2.c 使能ADC和中斷
//
// 使能定序器和中斷
//
ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 0);
ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 1);
ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 2);
ADCIntEnable(ADC_BASE, 2);
IntEnable(INT_ADC2);
//
// 使能定時器并啟動轉(zhuǎn)換處理
//
TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_A);
例3 使用在fOS下運行的定時器進行16x過采樣
另一個實現(xiàn)16x過采樣的方法（無需消耗ADC定序器的大部分資源）是使用一個在過采樣頻率下運行的周期定時器。例如，如果轉(zhuǎn)換處理每10ms必須返回到主應(yīng)用程序并且即將進行16倍過采樣，則能夠?qū)⒍〞r器配置為每625µs獲得一個采樣值。讓定時器在過采樣頻率下觸發(fā)一次轉(zhuǎn)換明顯地產(chǎn)生了額外的ADC中斷，這必須在應(yīng)用程序中說明。
將ADC和定時器配置為執(zhí)行上述操作的代碼見代碼段3.a。
代碼段3.a ADC配置－在fOS下運行的定時器
//
// 初始化ADC，以便在檢測到一次觸發(fā)時在通道1、定序器3上獲得一個采樣值。
//
//
ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 3, ADC_TRIGGER_TIMER, 0);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 3, 0, (ADC_CTL_CH1 | ADC_CTL_IE
| ADC_CTL_END));
//
//初始化定時器0，每625µs觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換
//
TimerConfigure(TIMER0_BASE, TIMER_CFG_32_BIT_PER);
TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_A, SysCtlClockGet() / 1600);
TimerControlTrigger(TIMER0_BASE, TIMER_A, true);
既然ADC在過采樣頻率下進行采樣操作，中斷處理程序必須知道已獲得的采樣數(shù)以及總和（見代碼段3.b）。在累積了16次轉(zhuǎn)換后，將這16個采樣值進行平均，并清除全局采樣計數(shù)變量和總和變量。
代碼段3.b ADC中斷處理程序
void
ADCIntHandler(void)
{
//
// 清除中斷
//
ADCIntClear(ADC_BASE, 3);
//
// 將新的采樣值加到全局總和中
//
g_ulSum += HWREG(ADC_BASE + ADC_O_SSFIFO3);
//
// g_ucOversampleCnt加1
//
g_ucOversampleCnt++;
//
// 如果累積了16個采樣值，則將它們平均并將全局變量復(fù)位
//
if(g_ucOversampleCnt == 16)
{
g_ulAverage = g_ulSum >> 4;
g_ucOversampleCnt = 0;
g_ulSum = 0;
}
//
// 占位符，以便ADC處理代碼
//
}
最后，在使能定時器之前，將定序器3及其中斷使能，并清除全局計數(shù)器和總和變量（見代碼段3.c）。
代碼段3.c 使能ADC、中斷并清除全局變量
//
// 使能定序器和中斷
//
ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 3);
ADCIntEnable(ADC_BASE, 3);
IntEnable(INT_ADC3);
//
// 將過采樣計數(shù)器和總和變量清零
//
g_ucOversampleCnt = 0;
g_ulSum = 0;
//
// 使能定時器并啟動轉(zhuǎn)換處理
//
TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_A);
使用滑動平均進行過采樣
當(dāng)采樣頻率接近ADC的最大采樣率時，滑動平均非常有用?；瑒悠骄鶓?yīng)用中的主要元件是采樣緩沖區(qū)，它在每次轉(zhuǎn)換完成時減去/加上數(shù)據(jù)。
例4將ADC配置為每隔100µs進行一次采樣，采樣緩沖區(qū)含有16個入口。注意：應(yīng)用程序不向采樣緩沖區(qū)預(yù)先填充有效的數(shù)據(jù)，這樣，前16個采樣值必須相應(yīng)地由軟件來處理。ADC配置為在定時器觸發(fā)時采樣，并在每次轉(zhuǎn)換之后將處理器中斷。
例4 使用滑動平均每100µs過采樣
代碼段4.a ADC配置－滑動平均
//
// 初始化ADC，以便在檢測到觸發(fā)時在通道1、定時器3上獲得一個采樣值。
//
//
ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, 3, ADC_TRIGGER_TIMER, 0);
ADCSequenceStepConfigure(ADC_BASE, 3, 0, (ADC_CTL_CH1 | ADC_CTL_IE
| ADC_CTL_END));
//
// 初始化定時器0，每100µs觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換
//
TimerConfigure(TIMER0_BASE, TIMER_CFG_32_BIT_PER);
TimerLoadSet(TIMER0_BASE, TIMER_A, SysCtlClockGet() / 10000);
TimerControlTrigger(TIMER0_BASE, TIMER_A, true);
中斷處理程序必須更新采樣緩沖區(qū)并進行平均計算（見代碼段4.b）。在每次ADC中斷時，去掉采樣緩沖區(qū)中的最后一個元素，緩沖區(qū)中剩下的數(shù)據(jù)移動一個位置。然后，在計算平均值之前將新的轉(zhuǎn)換結(jié)果放在采樣緩沖區(qū)的開始處。中斷處理程序中執(zhí)行的額外計算又一次增加了開銷，這一點必須要考慮到。
代碼段4.b ADC中斷處理程序
void
ADCIntHandler(void)
{
//
// 清除中斷
//
ADCIntClear(ADC_BASE, 3);
//
// 檢查g_ucOversampleIdx，確保它的值在范圍內(nèi)
//
if(g_ucOversampleIdx == 16)
{
g_ucOversampleIdx = 0;
}
//
// 從全局總和中減去最早的值
//
g_ulSum -= g_ulSampleBuffer[g_ucOversampleIdx];
//
// 用新的采樣值代替最早的值
//
g_ulSampleBuffer[g_ucOversampleIdx] = HWREG(ADC_BASE + ADC_O_SSFIFO3);
//
// 將新的采樣值加到總和中
//
g_ulSum += g_ulSampleBuffer[g_ucOversampleIdx];
//
// g_ucOversampleIdx加1
//
g_ucOversampleIdx++;
//
// 從采樣緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)中獲得平均值
//
g_ulAverage = g_ulSum >> 4;
//
// 占位符，供ADC處理代碼
//
}
在啟動定時器之前，使能定時器及其中斷（見代碼段4.c）。
代碼段4.c 使能ADC和中斷
//
// 使能定序器和中斷
//
ADCSequenceEnable(ADC_BASE, 3);
ADCIntEnable(ADC_BASE, 3);
IntEnable(INT_ADC3);
//
// 使能定時器并啟動轉(zhuǎn)換處理
//
TimerEnable(TIMER0_BASE, TIMER_A);
需考慮的問題
本文檔中描述的過采樣技術(shù)需要額外的代碼來執(zhí)行平均計算，附加中斷，和/或大部分采樣定序器資源，因此它在整個系統(tǒng)性能上有一個顯著的影響。在選擇最適合應(yīng)用的技術(shù)時，需在增加的中斷和龐大的中斷處理程序之間進行權(quán)衡。
結(jié)論
Luminary Micro的采樣定序器結(jié)構(gòu)為過采樣技術(shù)的實現(xiàn)提供了大量的選項。當(dāng)與軟件平均技術(shù)相結(jié)合時，該結(jié)構(gòu)能夠使系統(tǒng)設(shè)計人員有效地在采樣頻率、系統(tǒng)性能和采樣解決方案之間進行權(quán)衡。
評論