【嵌入式】HC32F定時器PWM捕獲+APC芯片實現(xiàn)模擬AD采樣

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一項目背景

二原理說明

三設計實現(xiàn)——定時器初始化

四設計實現(xiàn)——PWM捕獲

五梳理總結

一項目背景

? ? ? ? 目前使用了TI的ADC采樣芯片ADS1018實現(xiàn)模擬量4-20mA/0-20mA的采樣，原理是將外部輸入的模擬量信號4-20mA，經(jīng)由并聯(lián)的兩個100Ω電阻，轉(zhuǎn)換為0.2-1V的電壓信號傳遞到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的入口，再由ADS1018（全量程設置為FS=±1.024V，對應碼為0x7FF）將0.2-1V電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)碼0x190-0x7D0（400-2000），即可以將外部輸入4-20mA與內(nèi)部采集數(shù)據(jù)400-2000對應上，如下圖所示：

【嵌入式】HC32F定時器PWM捕獲+APC芯片實現(xiàn)模擬AD采樣

? ? ? ? 但是限于成本和貨期的問題，考慮將該款ADC換成國產(chǎn)的其他方案。

? ? ? ? 又因為這邊AD采樣的是DCS或者PLC發(fā)出來的4-20mA/0-20mA信號，必須需要外加隔離，所以不能采用MCU自帶的ADC外設直接采樣的方案（MCU的ADC外設沒有隔離功能，必須外接隔離芯片才行），所以該方案舍棄。

? ? ? ? 找到一款客益電子（http://www.guestgood.com/）的APC/PAC芯片，可以將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化為PWM波的占空比輸出，這邊選用的APC芯片為GP9101。

二原理說明

【1】APC/PAC芯片原理：

????????A=Analog，P=PWM，C=Convertor。

? ? ? ? APC=Analog to PWM Convertor 是一種模擬信號轉(zhuǎn)PWM信號的專用芯片，PAC=PWM to Analog Convertor是一種PWM信號轉(zhuǎn)模擬信號的專用芯片。

????????在信號調(diào)理領域，經(jīng)常需要面對模擬量信號的傳輸、采集、控制等問題，傳統(tǒng)的信號鏈芯片包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、運算放大器（OpAmp）、比較器（Comparator）等等，它們扮演著模數(shù)混合信號處理的主要角色。信號鏈芯片的功能基礎而強大，經(jīng)過精心的設計后能形成多種多樣優(yōu)秀的信號處理電路。但即便如此，在很多應用領域，傳統(tǒng)的信號鏈芯片依然存在瓶頸和制約，無法達到理想的電路性能和技術指標，尤其在一些需要PWM信號的領域，傳統(tǒng)的方法遇到許多困難。

? ? ? ? 客益電子發(fā)明了一種新型的模擬信號處理的專用芯片，它實現(xiàn)了模擬信號與PWM信號間的高精度轉(zhuǎn)換功能，我們稱它為APC（Analog to PWM Convertor）和PAC（PWM to Analog Convertor）。?

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【2】芯片特性：

? ? ? ? 這邊采用的芯片GP9101將輸入0-VCC的信號轉(zhuǎn)化為占空比0-100%，頻率默認為1KHz的PWM波輸出：

【嵌入式】HC32F定時器PWM捕獲+APC芯片實現(xiàn)模擬AD采樣

【3】采樣原理：

? ? ? ? 參考上面ADC采樣的思路，將外部輸入的模擬量信號4-20mA，經(jīng)由并聯(lián)的兩個400Ω電阻，轉(zhuǎn)換為0.8-4V的電壓信號傳遞到APC芯片的入口，再由GP9101（供電Vcc=5V）將0.8-4V電壓信號轉(zhuǎn)換為占空比為16-80%的PWM交由MCU進行捕獲，即可以將外部輸入4-20mA與內(nèi)部采集數(shù)據(jù)對應上，如下圖所示：

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三設計實現(xiàn)——定時器初始化

? ? ? ? 由上面的方案，首先需要實現(xiàn)的是定時器捕獲PWM功能的初始化，我這邊使用的主控芯片為小華的HC32F460，選用其高級控制定時器Timer6進行PWM捕獲，端口選用PB13，其功能是TIMER6_1_PWMB（Timer6的1單元B通道）：

【嵌入式】HC32F定時器PWM捕獲+APC芯片實現(xiàn)模擬AD采樣

????????初始化程序如下：

/* TIMER6 unit and clock definition */
#define TIMER6_UNIT1                    (M4_TMR61)
#define TIMER6_UNIT1_CLOCK              (PWC_FCG2_PERIPH_TIM61)
/* TIMER6 channel B Port/Pin definition */
#define TIMER6_UNIT1_CHB                (Timer6GenCompareB)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_PORT           (PortB)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_PIN            (Pin13)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_FUNC           (Func_Tim6)


void Timer6_APC_Config(void)  //APC測試，采樣0.8V-4V電壓，APC輸出16%-80%占空比，經(jīng)過64分頻定時器捕獲，輸出比較值為420-2100（輸入K/B需要調(diào)整為2100/400）
{
    stc_timer6_basecnt_cfg_t         stcTIM6BaseCntCfg;
    stc_timer6_port_input_cfg_t      stcTIM6CapxCfg;
    
    MEM_ZERO_STRUCT(stcTIM6BaseCntCfg);
    MEM_ZERO_STRUCT(stcTIM6CapxCfg);
    
    PWC_Fcg2PeriphClockCmd(TIMER6_UNIT1_CLOCK, Enable);
    
    PORT_SetFunc(TIMER6_UNIT1_CHB_PORT, TIMER6_UNIT1_CHB_PIN, TIMER6_UNIT1_CHB_FUNC, Disable);    //Timer61 PWMA
    
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntMode   = Timer6CntSawtoothMode;              //Sawtooth wave mode
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntDir    = Timer6CntDirUp;                     //Counter counting up
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntClkDiv = Timer6PclkDiv64;                   //Count clock: pclk0/64(256分頻也可以試一試)
    Timer6_Init(TIMER6_UNIT1, &stcTIM6BaseCntCfg);                          //timer6 PWM frequency, count mode and clk config

    Timer6_SetPeriod(TIMER6_UNIT1, Timer6PeriodA, 0xFFFFu);               //Period set

    stcTIM6CapxCfg.enPortSel  = Timer6xCHB;                            //Capture Input Port: PWM B port
    stcTIM6CapxCfg.enPortMode = Timer6ModeCaptureInput;                //Capture input function
    stcTIM6CapxCfg.bFltEn     = true;                                  //Input filter enable
    stcTIM6CapxCfg.enFltClk   = Timer6FltClkPclk0Div16;                //Filter clock
    Timer6_PortInputConfig(TIMER6_UNIT1, &stcTIM6CapxCfg);                 //Input config

    Timer6_ConfigHwCaptureB(TIMER6_UNIT1, Timer6HwTrigPWMBRise);       //HW Capture: Timer6 PWMB port rise trig

    Timer6_ConfigHwClear(TIMER6_UNIT1, Timer6HwTrigPWMBFall);          //HW Clear: Timer6 PWMB port fall trig
    Timer6_EnableHwClear(TIMER6_UNIT1);
    
    /*start timer6*/
    Timer6_StartCount(TIMER6_UNIT1);
}

【注】也可以使用中斷進行捕獲：

/* TIMER6 unit and clock definition */
#define TIMER6_UNIT1                    (M4_TMR61)
#define TIMER6_UNIT1_CLOCK              (PWC_FCG2_PERIPH_TIM61)
/* TIMER6 channel B Port/Pin definition */
#define TIMER6_UNIT1_CHB                (Timer6GenCompareB)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_PORT           (PortB)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_PIN            (Pin13)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_FUNC           (Func_Tim6)

uint16_t u16CaptureA;
void Timer61_CapInputCallBack(void)
{
    u16CaptureA = Timer6_GetGeneralCmpValue(TIMER6_UNIT1, TIMER6_UNIT1_CHB);
}

void Timer6_APC_Config(void)  //APC測試，采樣0.8V-4V電壓，APC輸出16%-80%占空比，經(jīng)過64分頻定時器捕獲，輸出比較值為420-2100（輸入K/B需要調(diào)整為2100/400）
{
    stc_timer6_basecnt_cfg_t         stcTIM6BaseCntCfg;
    stc_timer6_port_input_cfg_t      stcTIM6CapxCfg;
    stc_irq_regi_conf_t              stcIrqRegiConf;
    
    MEM_ZERO_STRUCT(stcTIM6BaseCntCfg);
    MEM_ZERO_STRUCT(stcTIM6CapxCfg);
    MEM_ZERO_STRUCT(stcIrqRegiConf);
    
    PWC_Fcg2PeriphClockCmd(TIMER6_UNIT1_CLOCK, Enable);
    
    PORT_SetFunc(TIMER6_UNIT1_CHB_PORT, TIMER6_UNIT1_CHB_PIN, TIMER6_UNIT1_CHB_FUNC, Disable);    //Timer61 PWMA
    
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntMode   = Timer6CntSawtoothMode;              //Sawtooth wave mode
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntDir    = Timer6CntDirUp;                     //Counter counting up
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntClkDiv = Timer6PclkDiv64;                   //Count clock: pclk0/64(256分頻也可以試一試)
    Timer6_Init(TIMER6_UNIT1, &stcTIM6BaseCntCfg);                          //timer6 PWM frequency, count mode and clk config

    Timer6_SetPeriod(TIMER6_UNIT1, Timer6PeriodA, 0xFFFFu);               //Period set

    stcTIM6CapxCfg.enPortSel  = Timer6xCHB;                            //Capture Input Port: PWM B port
    stcTIM6CapxCfg.enPortMode = Timer6ModeCaptureInput;                //Capture input function
    stcTIM6CapxCfg.bFltEn     = true;                                  //Input filter enable
    stcTIM6CapxCfg.enFltClk   = Timer6FltClkPclk0Div16;                //Filter clock
    Timer6_PortInputConfig(TIMER6_UNIT1, &stcTIM6CapxCfg);                 //Input config

    Timer6_ConfigHwCaptureB(TIMER6_UNIT1, Timer6HwTrigPWMBRise);       //HW Capture: Timer6 PWMB port rise trig

    Timer6_ConfigHwClear(TIMER6_UNIT1, Timer6HwTrigPWMBFall);          //HW Clear: Timer6 PWMB port fall trig
    Timer6_EnableHwClear(TIMER6_UNIT1);

    /*config interrupt*/
    Timer6_ConfigIrq(TIMER6_UNIT1, Timer6INTENB, true);

    stcIrqRegiConf.enIRQn = Int003_IRQn;                    //Register INT_TMR61_GUDF Int to Vect.No.002
    stcIrqRegiConf.enIntSrc = INT_TMR61_GCMB;               //Select Event interrupt function
    stcIrqRegiConf.pfnCallback = &Timer61_CapInputCallBack; //Callback function
    enIrqRegistration(&stcIrqRegiConf);                     //Registration IRQ

    NVIC_ClearPendingIRQ(stcIrqRegiConf.enIRQn);            //Clear Pending
    NVIC_SetPriority(stcIrqRegiConf.enIRQn, DDL_IRQ_PRIORITY_04);//Set priority
    NVIC_EnableIRQ(stcIrqRegiConf.enIRQn);                   //Enable NVIC

    /*start timer6*/
    Timer6_StartCount(TIMER6_UNIT1);
}

四設計實現(xiàn)——PWM捕獲

????????因為輸入到MCU的PWM頻率為1KHz，所以捕獲定時器的周期值為：

? ? ? ? 捕獲到的PWM比較值即為：

? ? ? ? 所以由上面方案中采樣到的4-20mA對應的占空比16-80%，計算得到的比較值即為：

? ? ? ? 程序中的PWM捕獲采用Timer6_GetGeneralCmpValue接口：

/**************************************************************************
* 函數(shù)名稱： analogInputHandle
* 功能描述： 模擬量輸入處理
* 輸入?yún)?shù)：
* 輸出參數(shù)：
* 返 回 值：
* 其它說明：
**************************************************************************/
float analogInputHandle(STRU_ANALOG_IO_CTRL *p_analog_ctrl)
{
    //...
    //這邊捕獲到的比較值是根據(jù)輸入進來的PWM計算得到的
    remote_ctrl.AI1_read = Timer6_GetGeneralCmpValue(TIMER6_UNIT1, TIMER6_UNIT1_CHB);
    //...
}

? ? ? ? 采集得到的remote_ctrl.AI1_read再經(jīng)過公式（本例中，K=2100，B=420），對應得到4-20：

$【嵌入式】HC32F定時器PWM捕獲+APC芯片實現(xiàn)模擬AD采樣$