Разработка блока АЦП на МК

    Микроконтроллер MCS51 имеет два таймера-счётчика. В  режиме таймера регистр данных увеличивается  на 1 за каждый машинный цикл (каждые 12 тактов). В режиме счётчика событий  происходит подсчёт перепадов из логической 1 в логический 0 на внешних выводах Т0/Т1.

    Однако, общеизвестен факт, что наиболее “  узкими “ местами архитектуры MCS-51 являются медленное АЛУ на базе аккумулятора, через который вынуждены “просачиваться“ все операнды и безмерно долгое время выполнения инструкций (12 машинных тактов). Были изобретены различные способы повышения производительности как то: увеличение тактовой частоты, уменьшение количества тактов на инструкцию, исключение холостых циклов и совмещение в одном микроконтроллере двух систем команд – подсемейство MCS-251. Но за подобное ускорение приходилось платить повышенными энергопотреблением и стоимостью, что совершенно лишало семейство MCS-51 всех преимуществ в низко стоимостных и критичных к потреблению применениях.

    3.1.2 Микроконтроллеры семейства С500 фирмы Siemens

    В результате реорганизации подразделение  по выпуску полупроводников получило своё собственное название – Infineon. Фирма Infineon выпускает, наряду с другими интересными микросхемами, микроконтроллеры семейства С500. Архитектура С500 базируется на MCS52, но имеет более развитую периферию.

    Характеристики  микроконтроллеров семейства С500:

• память программ -  8-32 кб;
• ОЗУ  256…3328  байт;
• ШИМ до 29  каналов;
• АЦП  от 8х10 до 12х10  каналов х бит;
• тактовая  частота 12-24 МГц.

    3.1.3 Семейство MicroConverter фирмы Analog Devices

    Analog Devices является одним из крупнейших  мировых производителей АЦП и  ЦАП; исследовательские центры  фирмы вносят огромный вклад  в развитие этой области. Analog Devices вышли на рынок 8-разрядных  микроконтроллеров, предложив семейство  MicroConverter. В этих изделиях объединены  на одном кристалле важнейшие  компоненты систем сбора и  обработки информации – процессорное  ядро MCS52 и блок ввода-вывода аналоговой  информации, включающий многоканальные  ЦАП и АЦП. Идея такого объединения  не нова, однако фирме Analog Devices удалось разместить на кристалле  с процессором действительно  высококачественный АЦП, с разрешением  12 бит и более, с функциями  калибровки и измерения температуры.  В настоящий момент серийно  производятся и доступны для  заказа кристаллы ADuC812, ADuC816, ADuC824.

    3.1.4 Микроконтроллеры Xemics. Семейство XE8000

    Xemics (Швейцария) — компания, известная  своими технологическими решениями  в области производства микроэлектроники  для применений в портативных  или автономных системах с  батарейным питанием.

    Имея  большой опыт в подобных разработках, Xemics в 1996 году создаёт RISC-ядро с недвусмысленным  названием CoolRISC и с уникальным соотношением производительность/потребление, ставшее  базой для производства микроконтроллеров  семейства XE8000, оставившим позади в  соревновании за микропотребление даже лучших представителей MICROCHIP. 

    Гарвардское RISC-ядро процессора выполняет все 33 команды 22-бит формата, в том числе  и команды перехода за один машинный такт. 3-уровневый конвейер команд: выборка, исполнение и запись — позволяет  достичь производительности до 1 MIPS на 1 МГц тактовой частоты. В отличие  от большинства RISC-процессоров, CoolRisc-процессор  содержит четыре 8-разрядных рабочих  регистра и регистр-аккумулятор, четыре 16-разрядных индексных регистра, а также поддерживает не только инструкции регистр–регистр, но и регистр–память с возможностью запоминания результата в третьем регистре, выполняемые  за один такт. Регистр-аккумулятор не имеет ничего общего с подобным регистром, использующимся во всех арифметических и логических операциях обычных CISC-процессоров. Это просто регистр, где запоминается результат операции АЛУ. Аппаратный умножитель является неотъемлемой частью АЛУ и позволяет проводить  операции знакового и беззнакового умножения.

    Микроконтроллеры XE8000 подразделяются на две основные ветви: XE8301 и XE88х1. Общим для всех членов семейства является встроенная память программ (FLASH или MASK ROM версии) размером 8К ґ 22 слов, память данных 512ґ8 байт, внутренний RC-генератор от 100 кГц  до 10 МГц с возможностью программной  настройки.

    В периферию микроконтроллеров входят:

• сторожевой таймер;
• схема сброса по включению питания;
• схема контроля питающего напряжения, UART и по-следовательный синхронный порт;
• 4 каскадируемых 8-бит таймера-счётчика с возможностью работы в режиме ШИМ и захвата/сравнения;
• поддержка внешних прерываний;
• параллельные порты, до 20 линий ввода/вывода.

    Кроме стандартного набора режимов SLEEP и Power Down, очень интересной особенностью является существование программной  опции включения/выключения любого периферийного устройства в целях  снижения энергопотребления, а также  опция программной установки  делителя тактовой частоты для той  же цели.

    XE8301 является микроконтроллером общего  назначения, работающим в диапазоне  питания от 1,2 до 5 В (MASK ROM) и 2,4–5,5 В (версия с FLASH ROM), выпускаемым  в 20- и 28-выводном исполнении. При  работе с производительностью  4 MIPS потребление контроллера составляет  всего-навсего 1,24 мА, при 1 MIPS —  снижается до 310 мкА, а при подключении  генератора 32,768 кГц суммарный ток,  потребляемый микроконтроллером,  составляет всего 6 мкА.

    Микроконтроллеры XE88х1 имеют встроенный АЦП с разрешением  до 16 бит (XE8801) и АЦП плюс два дополнительных цифро-аналоговых преобразователя: широтно-импульсный и токовый (XE8851).

    Аналоговый  мультиплексор на входе АЦП обеспечивает коммутацию 4 дифференциальных сигналов либо 7 отдельных сигналов и одного референтного. Встроенный аналоговый усилитель, следующий за мультиплексором, имеет схему компенсации напряжения смещения и программируемый коэффициент  усиления 0,5–1000.

5. PIC микроконтроллеры компании MICROCHIP

    Первые  микроконтроллеры компании MICROCHIP PIC16C5x появились в конце 80-х годов  и благодаря своей высокой  производительности и низкой стоимости  составили серьёзную конкуренцию  производимым в то время 8-разрядным  МК с CISC-архитектурой.

    Первое, что привлекает внимание в PIC-контроллерах — это простота и эффективность. В основу концепции PIC, единую для  всех выпускаемых семейств, была положена RISC-архитектура с системой простых  однословных команд, применение встроенной памяти программ и данных и малое  энергопотребление. 

    Система команд базового семейства PIC165x содержит только 33 команды. Все команды (кроме  команд перехода) выполняются за один машинный цикл (или четыре машинных такта) с перекрытием по времени  выборок команд и их исполнения, что позволяет достичь производительности до 5 MIPS при тактовой частоте 20 МГц.

    Микроконтроллеры PIC имеют симметричную систему команд, позволяющую выполнять операции с любым регистром, используя  любой метод адресации. Правда, разработчики MICROCHIP так и не смогли отказаться от любимой всеми структуры с  регистром-аккумулятором, необходимым  участником всех операций с двумя  операндами. Зато теперь пользователь может сохранять результат операции на выбор, где пожелает, в самом  регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции. В настоящее время MICROCHIP выпускает  четыре основных семейства 8-разрядных RISC-микроконтроллеров, совместимых  снизу вверх по программному коду:

• базовое семейство PIC15Cx с 12-разрядными командами, простые недорогие микроконтроллеры с минимальной периферией;
• PIC12Cxxx с 12-разрядными командами со встроенным тактовым генератором, выпускаемые в миниатюрном 8-выводном исполнении;
• Mid-range PIC16x/7x/8x/9x с 14-разрядными командами. Наиболее многочисленное семейство, объединяющее микроконтроллеры с разнообразными периферийными устройствами, в число которых входят аналоговые компараторы, аналогово-цифровые преобразователи, контроллеры последовательных интерфейсов SPI, USART и I2C, таймеры-счётчики, модули захвата/сравнения, широтно-импульсные модуляторы, сторожевые таймеры, супервизорные схемы и так далее;
• High-end PIC17C4x/5xx высокопроизводительные микроконтроллеры с расширенной системой команд 16-разрядного формата, работающие на частоте до 33 МГц, с объёмом памяти программ до 16 К слов. Кроме обширной периферии почти все микроконтроллеры этого семейства имеют встроенный аппаратный умножитель 8ґ8, выполняющий операцию умножения за один машинный цикл.

    Большинство PIC-контроллеров выпускаются с однократно программируемой памятью программ OTP с возможностью внутрисхемного программирования или масочным ROM. Для целей отладки  предлагаются версии с ультрафиолетовым стиранием, надо признать, не очень  дешёвые. Полное количество выпускаемых  модификаций PIC-контроллеров составляет порядка пятисот наименований. Как  не без основания утверждает MICROCHIP, продукция компании перекрывает  весь диапазон применений 8-разрядных  микроконтроллеров.

    Особый  акцент MICROСHIP делает на максимально  возможное снижение энергопотребления  для выпускаемых микроконтроллеров. При работе на частоте 4 МГц PIC-контроллеры, в зависимости от модели, имеют  ток потребления меньше 1,5 мА, а  при работе на частоте 32,768 КГц —  ниже 15 мкА. Поддерживается “спящий” режим работы. Диапазон питающих напряжений PIC-контроллеров составляет 2,0...6,0 В.

    3.1.6 Микроконтроллеры Scenix Sem. SX

    Американская  компания Scenix Semiconductors не стала изобретать принципиально новый микроконтроллер  со своей системой команд, а решила кардинально переработать и улучшить уже упоминавшееся семейство PIC16Cx MICROCHIP. Scenix имеет патент на быструю  флэш-технологию. Это позволило создать  микроконтроллеры с производительностью  более 50 MIPS, анонсированные в декабре 1997 года. Ещё через год появилась  версия с удвоенной производительностью  — 100 MIPS.

    Новые микроконтроллеры SC18/20/28AC100 совместимы программно снизу вверх и аппаратно pin-to-pin с PIC16C5х и при этом предоставляют  пользователю гораздо больше возможностей при ненамного большей стоимости. 

    RISC-ядро SX-процессора обеспечивает выполнение  большинства 12 разрядных инструкций  за один машинный цикл длительностью  10 нс на тактовой частоте 100 МГц. 4-уровневый конвейер команд  позволяет одновременно выполнять  выборку команды, декодирование,  исполнение, запись результата одновременно  для четырёх последовательно  расположенных команд. Новой особенностью  процессора также является аппаратное  сохранение содержимого служебных  регистров и обратная загрузка  для ускорения обработки прерываний  без потери машинных циклов.

    Кроме своей исключительной производительности, микроконтроллеры Scenix обладают следующими дополнительными возможностями  по сравнению с PIC16C5x:

• расширенная система команд: 33 (как у PIC16C5x) плюс 10 дополнительных;
• у SX48BD/SX52BD 4096ґ12 FLASH-память программ с возможностью внутрисхемного программирования; внутрисхемная отладка на максимальной рабочей частоте, не требующая дорогих эмуляторов;
• 256ґ8 бит встроенного статического ОЗУ; два 16-разрядных универсальных таймера плюс один 8-разрядный; быстрый аналоговый компаратор; внутренний RC-генератор с предделителем; поддержка внешних прерываний со временем отклика 50 нс;
• сильноточные порты ввода/вывода (30 мA) с программируемым включением внутренних pull-up резисторов и формированием TTЛ/КМОП-уровней, триггеров Шмидта; расширенная схема сброса при пропадании питания; отсутствие “дрожания” фронта сигнала при обработке прерывания; возможность работы в режиме отладки программного кода с доступом к содержимому регистров и стека.

    3.1.7 Микроконтроллеры Ангстрем, выпускаемые ОАО “АНГСТРЕМ”

    Нельзя  обойти вниманием детище разработчиков  отечественного производителя ОАО  “АНГСТРЕМ” — микроконтроллерное RISC-ядро ТЕСЕЙ, на базе которого уже  создано несколько микроконтроллеров, как универсальных, так и специализированного применения.

    Характерной особенностью ядра ТЕСЕЙ являются:

• гарвардская RISC-архитектура, позволяющая выполнять любую из 52 команд 16-разрядного формата за два такта частоты процессора;
• единая система команд для всего семейства с возможностью адресации до двух операндов, находящихся в памяти;
• 4-ступенчатый конвейер выполнения команд;
• малое время отклика на прерывание и сохранение контекста;
• широкий диапазон конфигураций внутренних памяти команд, памяти данных и периферийных устройств.