YTM32的模数转换器ADC外设模块详解

简介

YTM32的ADC转换器外设最多可以集成32个输入通道，最高12b转换精度，最快可以支持2M Sps的12b采样。ADC转换器外设内部的主要结构，如图x所示，包括ADC输入通道复用器、ADC转换器、FIFO等。

图x ADC外设模块框图

YTM32B1ME上集成了两个ADC转换器，每个转换器实际仅对外开放了24个输入通道，并且ADC0还在芯片内部绑定了若干采样点（所谓的external channel）。如图x所示。

图x ADC在芯片内部绑定的采样信号

ADC作为一个模拟外设，通常会使用两个时钟源：使用总线时钟驱动数字部分的电路，例如通过总线访问寄存器等；通过功能时钟驱动模拟部分的ADC转换器工作。如图x所示。

图x ADC外设的总线时钟和功能时钟

这里有两个要点：

• 通过IPC可以选择ADC转换器的输入时钟源。实际上，ADC的模拟电路部分也不一定能消化掉来自于IPC的时钟源，内部还专门设计的分频器。模拟电路对频率敏感，因此特定的电路也会要求能够处理的频率信号在一定范围内。YTM32的ADC转换器最高可以使用16MHz的时钟信号作为ADC转换器的时钟源。
• 模拟和数字部分在交换数据时，需要处理同步（同支持高频率的定时器）。

ADC采样的时序，通常包含采样（Sampling）和保持（Holding）两个阶段，如图x所示。采样和保持在ADC的时钟驱动下工作，时间越长，采样的结果越接近真实值，但速度也会变慢。若用户需要使用更快的采样速度，只要提高ADC转换时钟和缩短采样保持阶段的时间即可，但产生的转换结果就可能损失一些准确度了。

图x ADC转换中的采样保持时间

YTM32的ADC外设，为了有效地使用电能，将ADC转换器上电和掉电的控制接口也开放给用户了。要知道，ADC作为一个模拟外设，是个耗电大户（另一个耗电大户是PLL），如果在不需要执行ADC转换任务的阶段停电，可能有效减少功耗，也能控制芯片的发热。但是，ADC上电和下电过程，也都是需要一定时间的，上电过程需要等待供电稳定后才能启动ADC转换任务，ADC需要把正在执行的任务执行完毕，清理好工作现场之后才能顺利下电。这些时间，都将会在使用ADC转换器的过程中由用户配置。

原理与机制

ADC转换器的上下电和省电模式

MCU上电后，软件通过IPC模块，为ADC外设模块开放了总线时钟供应，但此时，ADC转换器的供电还没有加上，ADC外设模块处于掉电模式（Off State，power-down mode）。若要启用ADC转换器，需由用户先设定ADC_CTRL[ADEN]=1，开始为ADC转换器供电，待t_startup（约2us）后，ADC转换器供电稳定，硬件置寄存器位ADC_CTRL[ADRDY]=1，告知用户可以启动转换。此时请求ADC开始转换，软件触发设定寄存器ADC_CTRL[ADSTART]=1，才正式启动ADC转换。如图x所示。

图x ADC转换器的信号时序

注意，图x中的ADSTART信号在ADRDY之前置位，同前文讲述等待ADRDY置位后才拉起ADSTART不同。这展示了一种典型的情况：ADSTART只是请求不是命令，只有当ADRDY置位之后，ADC转换器才能启动。

ADC_CTRL[ADDIS]=1可以直接给ADC转换器断电。但为了确保ADC内部的状态机不会被打乱，建议先通过ADC_CTRL[ADSTOP]=1请求停止转换任务，在确保ADC转换器已经不再执行任何转换任务后，再给ADC转换器断电。

关于给ADC转换器断电的操作，YTM32的ADC外设还设计了一些“自动化”的供电管理机制，自动断电Auto-Off模式，对应寄存器开关ADC_CFG0[AUTOOFF]。

• 默认未启动自动断电模式时，用户一为ADC转换器建立稳定的供电后，若无人为停用，则对ADC转换器持续供电。下次启动转换也不需要等上电稳定。
• 若启用自动断电模式，则一旦ADC转换器闲下来就自动断电，在下次转换任务的触发信号到来时可自动唤醒恢复供电。此时，每次启动转换任务，ADC转换器都要等上电稳定（t_startup）后再启动转换。这个模式下，原本硬件反馈供电稳定的ADC_CTRL[ADRDY]标志位将不再起作用（置位）。

启用自动断电模式后，执行每次转换任务之前，都需要重新等待供电稳定的时间t_startup，这无疑影响了ADC的连续转换速率。但大多数情况下，应用对连续转换速率没有特别高的要求，使用启动断电模式可以在简化用户操作的前提下（不需要人工上电断电），有效降低ADC转换器的动态功耗。

ADC转换结果和FIFO

ADC外设内部设计了一个32-bit x 16 的FIFO，按照转换完成的顺序，依次存入转换完成的结果。用户从寄存器ADC_FIFO作为读FIFO的入口，可以依次读出转换结果。

FIFO中的数据单元包含转换结果对应的通道ADC_FIFO[CHID]和转换数值ADC_FIFO[DATA]，无论设定的转换分辨率（ADC_CFG[RES]）是多少，数值固定右对齐的。如图x所示。

ADC FIFO中的转换结果

当FIFO填满了未能及时读走的转换数据，ADC外设设计了两种机制处理后来的数据，一种是Overrun Mode，另一个是Wait Mode：

• Overrun Mode描述的是，当新的转换结果到来时，是覆盖FIFO中最近一次转换结果，还是直接抛弃掉新的转换结果。由寄存器ADC_CFG0[OVRMD]控制启用。
• Wait Mode描述的是，当FIFO满的时候，直接给ADC转换器断电（类似于Auto-Off模式）。只有当FIFO有空位的时候，才能给ADC转换器供电。由寄存器ADC_CFG0[WAIT]控制启用。

ADC转换队列的工作模式

ADC的转换过程，是由多个单通道的转换任务串起来的转换队列，由寄存器字段ADC_CFG0[SEQLEN]由触发信号驱动执行转换过程。YTM32的ADC外设模块中，设计了多种触发机制，以不同的节奏执行转换队列中的转换任务。通过配置寄存器位ADC_CFG0[DISCEN]和ADC_CFG0[CONT]，对应有Single模式、Continuou模式和Discontinuous模式。

表x ADC转换队列的工作模式

图x ADC转换队列的工作模式

ADC转换器的触发信号

ADC外设模块可以捕获软件触发和硬件触发信号（一个上升沿脉冲信号），以启动转换任务。触发信号无论是来自于软件触发还是硬件触发，对于启动转换的作用是完全相同的，但ADC仅允许使用其中一种触发模式，由寄存器ADC_CFG0[TRIGMD]选定。

• 当ADC_CFG0[TRIGMD]=0，软件触发可由用户写寄存器ADC_CTRL[ADCSTART]=1产生。
• 当ADC_CFG0[TRIGMD]=1，还需要设定寄存器ADC_CTRL[ADCSTART]=1解锁硬件触发信号（同步），硬件触发的信号可以来自于芯片上的其它外设模块。

硬件触发信号大多来自于TMU（Trigger Multiplexer Module）或者PTU模块（Programmable Trigger Unit），可以通过CIM（Chip Integration Module）模块的寄存器CIM_CTRL[ADCn_TRIG_SEL]选择ADC外设外部的触发信号源：

• Raw signal which from the PTU module (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=0)
• Signal from the TMU module and synchronized by bus clock (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=1)
• Signal from the TMU module and synchronized by function clock (CIM->CTRL[ADCn_TRIG_SEL]=2)

ADC转换器的看门狗

YTM32微控制器的ADC外设设计了看门狗的功能，这个功能在同类的设计中，还有一个更直观的名字，“硬件自动比较”。意思是通过为采样转换结果设置一个高限ADC_WDTH[HIGH]和低限ADC_WDTH[LOW]框起来的正常数值区间，每次ADC执行转换完成后，硬件都自动将转换结果同预设的正常数值区间进行比较，当采样结果过高（高于高限）或者过低（低于底限），都会触发一个超出预设范围的事件（可以触发中断）。这个功能通常用于实现对传感器的监控。某些MCU上设计ADC可以使用异步时钟在低功耗模式下继续存活，就会用到这个硬件自动判定超限的机制，只有当出现异常采样时，才唤醒CPU对环境做进一步的判断。

然而，当下的这款ADC最多可以保存16个转换结果（在FIFO中）和24个采样通道，但没有为16个转换结果或者24个采样通道分别安排上限值寄存器和下限值寄存器。 这里有个机制，通过寄存器ADC_WDCTRL[WDSGL]选择：

• 当ADC_WDCTRL[WDSGL]=0时，硬件比较的机制会作用于FIFO的入口，任何通道的转换结果进入FIFO时，都会被比较，有可能触发超事件。
• 当ADC_WDCTRL[WDSGL]=1时，硬件自动比较会现定于某个指定的通道，通道号设置于寄存器字段ADC_WDCTRL[WDCHSEL]中。

另外，还有控制位ADC_WDTH[THMD]，可以设定在ADC转换的结果是限定区域之内触发超限事件还是在限定区域之外。如图x所示。

图x 硬件自动比较的有效范围

中断事件和DMA

ADC转换器能够触发中断的事件，主要是面向转换任务和转换队列的执行转换任务完成的情况，ADC外设甚至对ADC转换器上电成功和采样阶段结束也设计中断事件。

ADC的DMA是基于FIFO设计的。用户可以在寄存器ADC_CFG0[WM]中设定产生DMA触发信号的FIFO有效数据数量的阈值，当FIFO中已经填入的转换结果数量达到预设的阈值时，ADC外设会向DMAMUX发出DMA触发信号，预设的DMA搬运任务将一次性从ADC的FIFO中搬运走预设数量（可以小于等于预设的数量阈值）的转换结果、

FIFO的阈值事件是可以产生DMA的触发信号的同时，也可以产生中断的触发信号。根据设计惯例，当同一个事件的DMA和中断触发开关同时打开时，DMA的优先级更高，中断信号不会发出。否则，如果在中断服务程序中将FIFO中的数据读走了，给DMA搬运的数据不够多，FIFO就会产生下溢错。

应用要点（软件）

YTMicro SDK中包含了YTM32的ADC外设模块的驱动程序adc_driver，并提供了关于ADC外设的样例工程，包括：adc、adc_dma、adc_all_channels等。

总结

YTM32的手册对ADC外设模块进行了基本的介绍，列写了ADC外设模块开放给用户的资源，本文对YTM32的ADC外设模块的功能进行演绎，更为细致地讲解了ADC外设模块及各功能的运行机制，方便用户充分理解ADC外设模块并结合应用利用好在ADC中设计的硬件资源。同时，本文也是对一种ADC外设模块的系统架构设计进行了较为细致的分析，推演了ADC外设模块的设计方法，可以为从事芯片设计的系统架构设计师们在设计IP时提供参考。