电路与嵌入式系统综合设计实验.docx

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电路与嵌入式系统综合设计实验

《电路与嵌入式系统综合设计实验》实验报告

LPC单片机AD功能及应用

姓名：

学号：

指导老师：

LPC单片机AD功能及应用

随着移动设备的流行和发展，嵌入式系统已经成为一个热点。

具有体积大、成本、功耗低和可靠性强的突出特点。

本文研究的是基于ARM嵌入式芯片AD功能及应用的设计与实现。

采用了飞利浦的32位ARM微处理器LPC2124作为核心处理器，实现LPC单片机双通道AD转换的功能，并通过串口显示转换电压的结果。

一、引言及背景

随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，利用嵌入式系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。

因为数字电子计算机所处理和传送的都是不连续的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量。

模拟量经传感器转换成电信号的模拟量后，需经A/D转换变成Digit信号才可输入到数字系统中进行处理和控制，因而把模拟电量转换成数字量AD转换的实现非常重要的。

通过本实验的实现，培养了自己综合运用所学知识，独立分析和解决时间问题的能力，培养了自己创新意识和创新能力，培养了自己动手能力，获得科学研究的基础，受益匪浅；并加深了对ARM芯片的了解，熟悉了ARM芯片各个引脚的功能，工作方式，串口通信，AD转换等相关原理和内容，巩固了嵌入式的基础知识。

本实验为了实现双通道AD转换查阅了所选ARM芯片的应用手册，及ARM嵌入式系统基础教程，分析应用了单片机实现AD转换的基本原理，以及该A/D转换器单通道和多通道切换的方法。

自己再将其融入到嵌入式系统中，通过Protues模拟和验证，实现双通道AD转换的基本功能。

二、实验目标

实验目标：

将AIN0连接一个滑动变阻器，对其进行电压采样，进行AD转换，将转换后的电压值送到上位机终端，与PC机串口通信实现A/D转换结果的传送,并在在串口仿真窗口显示采样的数据。

三、设计方案

利用ARM芯片LPC2124实现AD转换。

运用所掌握的ARM芯片各引脚功能设置，工作方式，串口通信，AD转换的相关原理的知识，通过Keil软件进行编译和Protues仿真，完成实验的要求。

1.设计思路

（1）利用ARM芯片LPC214的AD转换器将采样得到的信号转化成数字信号，在仿真窗口显示。

（2）再将其扩展成两路进行AD采样，利用滑动变阻器阻值的变化，可以得到不同的输入模拟信号。

（3）将模拟信号进行AD转换得到数字信号，应用串口通信将它转化的结果输出。

2．总体设计框图

用ARM7系列芯片LPC2124作为系统的主控芯片，进行信号的AD转换再输出，下面为该实验设计的总体框图

图3.1AD转换总体设计框图

四、硬件设计

根据设计任务要求，自行选择电子元件，画出电气原理图，并调试。

一个完整的系统除了主控芯片以外，还需配上电源系统、时钟电路、复位电路等。

独立的芯片是不能工作的。

本设计采用LPC2124芯片，具体功能描述如下。

1．LPC2124芯片介绍

●16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。

●16kB的片内静态RAM和32/64/128/256/512kB的片内Flash程序存储器。

●128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率。

●通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP）。

●单个Flash扇区或整片擦除时间为400ms。

256字节行编程时间为1ms。

●EmbeddedICERT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。

●1个8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入

●1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。

●2个32位定时器/外部事件计数器（7个捕获和比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗。

●低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。

●多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线（400kbit/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。

●向量中断控制器。

可配置优先级和向量地址。

多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。

●通过片内PLL（100us的设置时间）可实现最大为60MHz的CPU操作频率。

●片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1～30MHz，

●与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz。

低功耗模式：

空闲和掉电。

●CPU操作电压范围：

3.0~3.6V（3.3V±10%），I/O口可承受5V的电压。

2．LPC2124芯片最小系统硬件设计

图4.1为LPC2124芯片的原理图

64个引脚，采用3.3V电源供电，设计所需外接器件的网络名已经标出。

3．AD转换器

A/D转换器（ADC,A/Dconverters）的基本时钟是由VPB时钟提供，每个转换器包含一个可编程的分频器，可将时钟调整至逐步逼近转换所需的4.5MHZ（最大）；完全满足精度要求的转换需要11个转换时钟。

LPC2124具有一个10位8路A/D转换器。

启动A/D转换的方式非常灵活，既可以单路软件启动，也可以设置为BURST模式对某几路信号逐个循环采样。

与其他LPC2000系列的微控制器一样，都有很高的转换精度。

特性：

●1个10位逐次逼近式模数转换器；

●8个管脚复用为输入脚；

●掉电模式；测量范围：

0~3V;

●一个或多个输入的Burst转换模式；

●可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换。

其电路连接结构原理图如图4.2所示

图4.2AD转换电路连接结构图

1）硬件触发转换

如果ADCR的BURST位为0且START字段的值包含在010-111之内，当所选管脚（P0.16或者P0.22）或定时器匹配信号（MAT0.1、MAT0.3、MAT1.0或者MAT1.1）发生跳变时A/D转换器启动一次转换。

也可选择在4个匹配信号中任何一个的指定边沿转换，或者在2个捕获/匹配管脚中任何一个的指定边沿转换。

将所选端口的管脚状态或所选的匹配信号与ADCR位27相异或所得的结果用作边沿检测逻辑。

本实验采用的是这种硬件触发转换的方式。

2）时钟产生

时钟分频器（通过它可以得到4.5MHz的转换时钟）在A/D转换器空闲时保持复位状态，在ADCR的START字段被写入01（立即启动转换）或所选边沿处现在选择的信号上时，可立刻启动采样时钟。

3）中断

当DONE位为1是，AD转换模块向向量中断控制器（VIC）发出中断请求。

如果VIC中VICIntEnable的Bits8（A/D转换中断使能位）使能，则会产生中断。

读取ADDR将清零DONE位。

4）精度和数字接收器

当引脚用作A/D转换器输入时，不论引脚选择何种功能，都仍可用作A/D输入，A/D输入可随时被读取，引脚的电压变化都从A/D的读取值中反映出来。

但是，只有选择模拟输入功能，才能读出有效的模拟值。

5）通道切换

进行多通道AD转换时，可以按照需要进行通道切换。

4.UART0串行通信

LPC2124具有2个符合‘550工业标准的异步串行口（UART）UART0和UART1。

特性：

●16字节收发FIFO;

●寄存器位置符合’550工业标准；

●接收器FIFO出发点可为1，4，8和14字节；

●内置波特率发生器；

●LPC2124包含使能实现软件流控制的机制。

管脚描述：

管脚名称

UART管脚

功能描述

说明

P0.0

TxD0

串行输出

串行发送数据

P0.1

RxD0

串行输入

串行接收数据

P0.8

TxD1

串行输出

串行发送数据

P0.9

RxD1

串行输入

串行接收数据

UART的基本操作方法：

1）设置I/O连接到UARTx；

2）设置串口波特率（UxDLM、UxDLL）；

3）设置串口工作模式（UxLCR、UxFCR）；

4）发送或接收数据（UxTHR、UxRBR）；

5）检查串口状态字（UxLSR）或者等待串口中断（UxIIR）。

其中，串行口结构框图，如图4.3所示：

图4.3串行口结构框图

五、软件设计

主程序主要完成寄存器初始化，GPI0的方向，并赋初值，串口的初始化及AD转换设置，通道选择，转换启动控制等。

主服务程序主要控制AD转换和AD转换结果的显示。

1．AD转换程序程序设计

当选择AIN0时，可通过P0.27对电位器RV1触点进行采样。

由于满额电压Vcc经过R2（470Ω）和RV1（10K）进行分压，且转换精度为10位，即1024级。

其单通道AD转换流程图如图5.1所示

图5.1单通道AD转换流程图

2．双通道切换过程如下所示：

在通道1工作完成后，切换至通道2进行行AD采样转换，实现双通道ADC。

如下图所示

图5.2双通道AD切换程序图

3．串口通信程序流程图：

实验程序使用查询方式，通过串口0接收上位机发送的字符串，如“”，然后送回上位机显示。

流程图如图5.3所示：

图5.3串口通信程序流程图

六、运行测试结果

根据事先画好的程序流程图，用C语言编写程序，并成功生成HEX文件，编译结果如图6.1所示。

然后，绘制Protues原理图，再将生成的.HEX导入，就能得到仿真结果。

图6.1编译结果示意图

其中ProtuesAD转换原理图如下图6.2所示

图6.2ProtuesAD转换原理图

用Protues进行仿真显示结果如下图6.3所示：

图6.3Protues仿真结果图

七、实验总结

通过这次实验，我基本掌握了单通道AD转换，多通道AD切换及串口通信的方法。

不仅

培养综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题的能力，培养创新意识和创新能力，而且还增强了动手能力，收益匪浅。

附：

（相关keil代码和protues仿真图请见附件）