MM32F5270：高速ADC和COMP及三合一控制案例

漫談系列的上一期中介紹了外設(shè)間互聯(lián)矩陣 MindSwitch，用戶可以通過(guò) MindSwitch 將系統(tǒng)中的常用外設(shè)進(jìn)行同步。本期，筆者就來(lái)聊聊 MM32F5270 中的高性能模擬外設(shè)，并以一個(gè)典型的 3 合 1 控制的例子來(lái)對(duì)前面幾期的內(nèi)容做一個(gè)綜合的講解。

1、高速 ADC

ADC 用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，是微控制器應(yīng)用中必不可少的外設(shè)之一。

MM32F5270 中包含了 2 組高速 SAR 結(jié)構(gòu) ADC，每組 ADC 支持最高 12 位分辨率和最高 3MSPS 采樣率。其中 ADC1 支持 17 路外部通道（ADC1_INx），ADC2 支持 19 路外部通道(ADC2_INx)，兩組 ADC 有 12 個(gè)通道是共用引腳的（ADC12_INx），因此總計(jì)可用的外部通道數(shù)是 17 + 19 – 12 = 24 通道。MM32F5270 中的具體 ADC 通道分布整理如下表：

ADC 的具體特點(diǎn)這里就不一一介紹，感興趣的讀者可以閱讀 MM32F5270 用戶手冊(cè)。（https://www.mindmotion.com.cn/download/products/UM_MM32F5270_SC.pdf）

這里，對(duì) MM32F5270 ADC 的部分創(chuàng)新特色做如下總結(jié)：

支持任意通道轉(zhuǎn)換

支持轉(zhuǎn)換通道的任意排列，最高可支持 16 個(gè)通道。這相對(duì)于僅能固定順序掃描的 ADC 而言有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是實(shí)際應(yīng)用中通道間的采樣順序可能會(huì)變化，二是實(shí)際應(yīng)用中不同通道的采樣頻繁程度是不同的，而任意轉(zhuǎn)換序列 ADC 能夠很好的應(yīng)對(duì)這些場(chǎng)景。下圖是一個(gè)例子，任意通道轉(zhuǎn)換模式下，前 5 次轉(zhuǎn)換中的通道編號(hào)是亂序的（任意可配的），且通道 12 和 通道 6 僅轉(zhuǎn)換 1 次，而通道 3 則轉(zhuǎn)換了 3 次。

每個(gè)任意通道都有獨(dú)立的結(jié)果寄存器

除了最近一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，MM32F5270 的每個(gè)任意通道都有一個(gè)獨(dú)立的結(jié)果寄存器，存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)通道最近一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。這樣用戶可以在所有ADC通道轉(zhuǎn)換完畢后在需要使用的時(shí)刻再讀取對(duì)應(yīng)ADC通道的結(jié)果寄存器的值，而不需要每次轉(zhuǎn)換后都讀取，有效的降低了 DMA 或 CPU 對(duì) ADC 的訪問(wèn)次數(shù)和軟件復(fù)雜度。

支持自動(dòng)注入模式

在任意通道轉(zhuǎn)換方式下，完成任意通道轉(zhuǎn)換后會(huì)自動(dòng)開始注入通道轉(zhuǎn)換。每個(gè) ADC 支持最高 4 路注入通道，同樣支持任意序列轉(zhuǎn)換。需要注意的是，注入通道的觸發(fā)源和常規(guī)通道的觸發(fā)源是獨(dú)立的，后文將要講到的 ADC 分時(shí)復(fù)用就需要用到這個(gè)功能。

支持最高 256 次硬件過(guò)采樣

MM32F5270 支持 2 到 256次可配的硬件過(guò)采樣，當(dāng)配置為 256次時(shí)，ADC 將 256 次的采樣數(shù)值進(jìn)行累加和硬件平均，并將結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè) 16 位寄存器中。很多應(yīng)用為提高采樣準(zhǔn)確度都需要進(jìn)行多次采樣求平均的操作，硬件過(guò)采樣的優(yōu)勢(shì)是不需要 DMA 或 CPU 的數(shù)據(jù)搬運(yùn)和計(jì)算就能得到平滑濾波后的結(jié)果。

觸發(fā)源通過(guò) MindSwitch 配置

通過(guò) MindSwitch 配置的觸發(fā)可以實(shí)現(xiàn)更靈活可配的觸發(fā)，后文中的應(yīng)用案例就將用到這一功能。

2、高速 COMP

比較器 COMP 用于比較兩個(gè)模擬信號(hào)的電平，比較器因其比較速度快和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中常用于做過(guò)流保護(hù)等安全保護(hù)措施。

MM32F5270 中包含了 3 組高速比較器 COMP1~3，每組比較器都具備如下特點(diǎn)：

參考源豐富

帶窗口 Blanking 功能

支持輪詢

支持濾波

帶極性選擇功能

在實(shí)際應(yīng)用中，往往是將外部的模擬信號(hào)和一個(gè)參考電壓值通過(guò)比較器進(jìn)行比較，這個(gè)參考電壓值往往是一個(gè)固定電平，其可以從芯片外部輸入，也可以由芯片內(nèi)部提供。MM32F5270 的比較器支持這兩種方式，并且提供了豐富的電壓參考源包括：

CRV 的輸出

DAC1 的輸出

DAC2 的輸出

這里，CRV 的全稱是 Comparator Reference Voltage，是一個(gè)低分辨率的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，可提供 1/20 到 16/20 共 16 檔參考電壓，其分壓源可以選擇是 VDDA 或者內(nèi)部 1.2V 帶隙基準(zhǔn)電壓。以 VDDA = 3V 為例，其分壓范圍為 150mV 到 2.4V，每 150mV 一檔，共 16 檔。

如果需要更精確的參考電壓，則可以采用 DAC1 或 DAC2 的輸出，這里的兩個(gè) DAC 都是 12 位分辨率。以 VDDA = 3V 為例，其分壓范圍為 0V 到 3V，共 4096 檔，分辨率約為 0.7 mV（僅是理想分辨率，真實(shí)分辨率會(huì)更大）。

不論是 CRV 還是 DAC，其相較于外部輸入的最大優(yōu)勢(shì)是其電壓可隨時(shí)調(diào)整。

每組 COMP 支持 4 路正向輸入和7路負(fù)相輸入，其中正向輸入全部由外部引腳輸入，而 7 路負(fù)相輸入中包含了 3 路外部引腳輸入、1 路 CRV 輸出、1 路 DAC1 輸出和 1 路 DAC2 輸出，總結(jié)如下表：

上面的提到的 2 組 DAC 除了可以為比較器提供參考電壓外，它們還帶有一定的輸出驅(qū)動(dòng)能力，支持最快 1MSPS 轉(zhuǎn)換率，可以不需要外部放大器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，非常適用于一些音頻應(yīng)用。此外，DAC 還支持硬件自動(dòng)生成三角波，用戶也可以通過(guò)精確的觸發(fā)控制和數(shù)據(jù)輸入來(lái)通過(guò) DAC 生成更復(fù)雜的正弦波或任意波形。

3、應(yīng)用場(chǎng)景：3 合 1 控制

經(jīng)過(guò)上述介紹，相信讀者對(duì)于 MM32F5270 中的高性能模擬外設(shè)已經(jīng)有所了解。接下來(lái)，筆者就將前幾期介紹內(nèi)容和本期內(nèi)容結(jié)合在一起，通過(guò)一個(gè)常見的應(yīng)用案例來(lái)講解。

實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)趨勢(shì)是系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，很多嵌入式系統(tǒng)會(huì)將原本分布在多個(gè) MCU 中的功能集成在同一個(gè)主控 MCU 中，在汽車、家電和消費(fèi)電子領(lǐng)域中都能觀察到這種趨勢(shì)，這樣做能夠帶來(lái)開發(fā)便捷、節(jié)省空間、節(jié)省成本、節(jié)省線束等多種好處，通?？梢园堰@種多功能合并的結(jié)構(gòu)叫做多合一控制，舉幾個(gè)典型的例子：

2 合 1

2 合 1 典型場(chǎng)景是雙電機(jī)控制，具體應(yīng)用包括洗烘一體洗衣機(jī)中的滾筒電機(jī) + 熱泵風(fēng)扇控制、割草機(jī)中的割草電機(jī) + 行進(jìn)電機(jī)控制、電動(dòng)三輪車中的差速電機(jī)控制等等。對(duì)于此類應(yīng)用，靈動(dòng)的 MM32SPIN0280 就非常適合，其配備了96MHz M0 內(nèi)核、硬件除法和開方、雙 3MSPS ADC + 雙高級(jí)定時(shí)器、多路運(yùn)放和比較器，感興趣的讀者可以點(diǎn)擊鏈接進(jìn)一步了解。

3 合 1

3 合 1 典型的應(yīng)用是空調(diào)外機(jī)中的 PFC + 壓縮機(jī) + 風(fēng)機(jī)控制，對(duì)于此類應(yīng)用，其對(duì)于 CPU 性能的要求往往更高，因此，目前市面上的方案往往是 Cortex-M4 及以上性能的 MCU 或 DSP 來(lái)實(shí)現(xiàn)。MM32F5270 配備了 120MHz 的 Armv8 “星辰”處理器，帶有 DSP 和 FPU 擴(kuò)展，單位主頻性能相較于 Cortex-M4 提升約 20%，并配有多并發(fā)的總線架構(gòu)、高效互聯(lián)系統(tǒng) MindSwitch、多路定時(shí)器以及本期重點(diǎn)講解的高性能模擬外設(shè)，非常適合用于此類 3 合 1 的應(yīng)用場(chǎng)景。

4 合 1

典型的應(yīng)用是四旋翼飛行器的四個(gè)螺旋槳控制，甚至可以將電機(jī)控制和飛控進(jìn)行合并，此類應(yīng)用往往需要 Cortex-M7 或以上性能的 MCU 或 MPU 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這里，筆者就以空調(diào)外機(jī) 3 合 1 控制這個(gè)典型應(yīng)用來(lái)說(shuō)明 MM32F5270 的高性能配置。

空調(diào)外機(jī)的主體部分包括 1 路 PFC、1 路壓縮機(jī)和 1 路風(fēng)機(jī)。這里，對(duì)這3個(gè)模塊的參數(shù)做如下約束：

PFC

采用 Boost 結(jié)構(gòu)，通過(guò) 1 路 PWM 驅(qū)動(dòng) MOS 管以控制功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)，PWM 周期為 64KHz，電流環(huán)為 32KHz，帶過(guò)流保護(hù)。

壓縮機(jī)

永磁同步電機(jī)，采用無(wú)感 FOC 控制，單電阻采樣，PWM 周期和電流環(huán)均為 16KHz，帶過(guò)流保護(hù)。

風(fēng)機(jī)

永磁同步電機(jī)，采用無(wú)感 FOC 控制，單電阻采樣，PWM 周期和電流環(huán)均為 16KHz，帶過(guò)流保護(hù)。

其中，Boost PFC 的原理圖如下：

單電阻無(wú)感 FOC 電機(jī)控制原理圖如下：

根據(jù)上述約定：每路電機(jī)需要 3 相互補(bǔ) PWM 來(lái)驅(qū)動(dòng)，1 路高速 ADC 去做電流采樣，多個(gè)定時(shí)器通道去控制 ADC 的采樣點(diǎn)，以及 1路比較器做過(guò)流保護(hù)；PFC 則需要 1 路 PWM 輸出去做功率因數(shù)校正，1 路高速 ADC 去做電流采樣，1個(gè)定時(shí)器通道去控制 ADC 的采樣點(diǎn)，以及 1 路比較器做過(guò)流保護(hù)。

這里，考慮到兩路電機(jī)的 PWM 周期完全一致，因此可以很容易的將兩路電機(jī)的處理（包括采樣和計(jì)算）在時(shí)序上分割開，這樣， 兩路電機(jī)就可以共用一組 ADC 進(jìn)行分時(shí)采樣，而另一組 ADC 可以留給 PFC 使用。

MM32F5270 中配置了 2 組高級(jí)定時(shí)器（TIM1 & TIM8）、4 組通用定時(shí)器（TIM2~5）、3 組比較器（COMP1~3）、2 組獨(dú)立 DMA（DMA1~2，可分別用于兩組 ADC），并通過(guò) MindSwitch 和 CLU 將上述外設(shè)進(jìn)行精確同步，能夠滿足上述資源需求。資源分配整理如下表：

其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示：

一種可行的時(shí)序分配和 PWM 波形如下圖所示。

這里，因 TIM1 和 TIM8 的 PWM 周期都是 16KHz，因此，TIM1 和 TIM8 可以做 180° 相位差的嚴(yán)格同步。這樣電機(jī)1（M1）和電機(jī)2（M2）的采樣可以分時(shí)復(fù)用 ADC1 而不互相干擾。CPU 也可以分時(shí)處理 M1 和 M2 的電流環(huán)而不互相干擾。

這里電機(jī) 1 的電流采樣點(diǎn)通過(guò)任意通道的觸發(fā)控制（ADC1_TRIG），而電機(jī) 2 的電流采樣點(diǎn)通過(guò)自動(dòng)注入通道的觸發(fā)控制（ADC1_JTRIG）。

TIM3 的 PWM 周期是 64KHz，而電流環(huán)是 32KHz，因此，其剛好可以利用 M1 和 M2 電流環(huán)的處理間隙做 PFC 的電流環(huán)。當(dāng)然，這也得益于 “星辰”處理器的高性能運(yùn)算能力，有足夠的 CPU 帶寬可以用于三路算法的運(yùn)算。

此時(shí)，MindSwitch 和 CLU 的內(nèi)部連接如下圖所示：

可以看到，上述 3 合 1 的應(yīng)用場(chǎng)景用到了 MM32F5270 的多個(gè)模塊：

高性能“星辰”處理器

MindSwitch 和 CLU

2 組高速 ADC

3 組高速比較器

2 組高級(jí)定時(shí)器

1 組通用定時(shí)器

2 組 DAC

MM32F5270 以高性能運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)資源，很好的滿足了 3 合 1 應(yīng)用的需求。

4、小結(jié) & NEXT

本文介紹了MM32F5270 中的 ADC、DAC 和比較器等模擬外設(shè)，并結(jié)合前幾期的知識(shí)點(diǎn)，以 3 合 1 的應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明了這些高性能外設(shè)間如何協(xié)同配合來(lái)滿足復(fù)雜應(yīng)用的需求。

來(lái)源：靈動(dòng)MM32MCU