Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là 25oC và buổi trưa là 32oC, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà nhiệt độ phải “đi qua” để có thể đạt mức 32oC từ 25oC, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 0oC đến 255oC, như chúng ta đã biết, một thanh ghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (28) giá trị nguyên từ 0 đến 255, như thế các mức nhiệt độ không nguyên như 28.123 oC sẽ không được ghi lại. Nói cách khác, chúng ta đã “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter).
Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC. Phương pháp chuyển đổi được trình bày ở đây là phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC. Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh.
Độ phân giải (resolution): Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8 mức giá trị
ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bộđiều khiển.
Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị. Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông sốđược đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn.
2.4.2. Chuyển đổi ADC trên AVR
Chip AVR Atmega32 của Atmel có tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit. Có tất cả 8 kênh đơn (các chân ADC0 đến ADC7), 16 tổ hợp chuyển đổi dạng so sánh, trong đó có 2 kênh so sánh có thể khuyếch đại.
ADC trong AVR là loại chuyển đổi xấp xỉ lần lượt (successive approximation ADC).
ADC trên AVR cần được “nuôi” bằng nguồn điện áp riêng ở chân AVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC) quá +/- 0.3V. Nhiễu (noise) là vấn đề rất quan trọng khi sử dụng các bộ ADC, để giảm thiểu sai số chuyển đổi do nhiễu, nguồn cấp cho ADC cần phải được “lọc” (filter) kỹ càng. Một cách đơn giản để tạo nguồn AVCC là dùng một mạch LC kết nối từ nguồn VCC của chip như minh họa trong hình 2.11, đây là cách được gợi ý bởi nhà sản xuất AVR.
Hình 2.11: Tạo nguồn AVCC từ VCC.
Điện áp tham chiếu cho ADC trên AVR có thể được tạo bởi 3 nguồn: dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V (cốđịnh), dùng điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài đặt trên chân VREF. Một lần nữa, cần chú ý đến noise khi đặt điện áp tham chiếu, nếu dùng điện áp ngoài đặt trên chân VREF thì điện áp này phải được lọc thật tốt, nếu dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần
được nối với một tụ điện. Việc chọn điện áp tham chiếu sẽ được đề cập chi tiết trong phần sử dụng ADC.
Các chân trên PORTA của chip ATmega32 được dùng cho bộ ADC, chân PA0 tương ứng kênh ADC0 và chân PA7 tương ứng với kênh ADC7.
Các chân trên PORTC của chip ATmega8 được dùng cho bộ ADC, chân PC0 tương ứng kênh ADC0 và chân PC5 tương ứng với kênh ADC5.
Các thanh ghi
Có 4 thanh trong bộ ADC trên AVR trong đó có 2 thanh ghi data chứa dữ liệu sau khi chuyển đổi, 2 thanh ghi điều khiển và chứa trạng thái của ADC. • ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register): là 1 thanh ghi 8 bit điều khiển việc chọn điện áp tham chiếu, kênh và chế độ hoạt động của ADC. Chức năng của từng bit trên thanh ghi này sẽđược trình bày cụ thể như sau:
7 6 5 4 3 2 1 0 REFS1 REFS0 ADLAR MUX4 MUX3 MUX2 MUX1 MUX0 ADMUX
R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
0 0 0 0 0 0 0 0
Hình 2.12: Thanh ghi ADMUX
•Bit 7:6- REFS1:0 (Reference Selection Bits): là các bit chọn điện áp tham chiếu cho ADC, 1 trong 3 nguồn điện áp tham chiếu có thểđược chọn là: điện áp ngoài từ chân VREF, điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc điện áp AVCC. Bảng 2.5. tóm tắt giá trị các bit và điện áp tham chiếu tương ứng.
Bảng 2.5: Chọn điện áp tham chiếu
REFS1 REFS0 Voltage Reference Selection
0 0 AREF, Internal Vref turned off
0 1 ACVV with external capacitor at AREF pin
1 0 Reserved
1 1 Internal 2.56V Voltage Reference with external capacitor at AREF pin
• Bit 5-ADLAR (ADC Left Adjust Result): là bit cho phép hiệu chỉnh trái kết quả chuyển đổi. Sở dĩ có bit này là vì ADC trên AVR có độ phân giải 10 bit, nghĩa là kết quả thu được sau chuyển đổi là một số có độ dài 10 bit (tối đa 1023), AVR bố trí hai thanh ghi data 8 bit để chứa giá trị sau chuyển đổi. Như thế giá trị chuyển đổi sẽ không lấp đầy hai thanh ghi data, trong một số trường hợp người dùng muốn 10 bit kết quả nằm lệch về phía trái trong khi cũng có trường hợp người dùng muốn kết quả nằm về phía phải. Bit ADLAR sẽ quyết định vị trí của 10 bit kết quả trong 16 bit của 2 thanh ghi data. Nếu ADLAR=0 kết quả sẽđược hiệu chỉnh về phía phải (thanh ghi ADCL chứa trọn 8 bit thấp và thanh ghi ADCH chứa 2 bit cao trong 10 bit kết quả), và nếu ADLAR=1 thì kết quả được hiệu chỉnh trái (thanh ghi ADCH chứa trọn 8 bit cao nhất, các bit từ 9 đến 2, và thanh ADCL chứa 2 bit thấp nhất trong 10 bit kết quả (xem hình cách bố trí 2 thanh ghi ADCL và ADCH bên dưới để hiểu rõ hơn).
•Bits 4:0-MUX4:0 (Analog Channel and Gain Selection Bits): là 5 bit cho phép chọn kênh, chế độ và cả hệ số khuyếch đại cho ADC. Do bộ ADC trên AVR có nhiều kênh và cho phép thực hiện chuyển đổi ADC kiểu so sánh (so sánh điện áp giữa hai chân analog) nên trước khi thực hiện chuyển đổi, chúng ta cần set các bit MUX để chọn kênh và chếđộ cần sử dụng.
Bảng tóm tắt các chế độ hoạt động của ADC thông qua các giá trị của các bit MUX chúng ta có thể tham khảo trong các datasheet tương ứng của các vi điều khiển. Trong bảng này, ứng với các giá trị từ 00000 đến 00111 (nhị phân), các kênh ADC được chọn ở chế độ đơn kênh (tín hiệu input lấy trực tiếp từ các chân analog và so sánh với 0V), giá trị từ 01000 đến 11101 tương ứng với chếđộ chuyển đổi so sánh.
- ADCSRA (ADC Control and Status RegisterA): là thanh ghi chính điều khiển hoạt động và chứa trạng thái của module ADC.
7 6 5 4 3 2 1 0
ADEN ADSC ADATE ADIF ADIE ADPS2 ADPS1 ADPS0 ADCSRA
R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
0 0 0 0 0 0 0 0
Hình 2.13: Thanh ghi ADCSRA Từng bit của thanh ghi ADCSRA được mô tả như bên dưới:
•Bit 7 - ADEN(ADC Enable): viết giá trị 1 vào bit này tức là đã cho phép module ADC được sử dụng. Tuy nhiên khi ADEN=1 không có nghĩa là ADC đã hoạt động ngay, chúng ta cần set một bit khác lên 1 để bắt đầu quá trình chuyển đổi, đó là bit ADSC.
•Bit 6 - ADSC(ADC Start Conversion): set bit này lên 1 là bắt đầu khởi động quá trình chuyển đổi. Trong suốt quá trình chuyển đổi, bit ADSC sẽ được giữ nguyên giá trị 1, khi quá trình chuyển đổi kết thúc (tựđộng), bit này sẽđược trả về 0. Vì vậy không cần và cũng không nên viết giá trị 0 vào bit này ở bất kỳ tình huống nào. Để thực hiện một chuyển đổi, thông thường chúng ta sẽ set bit ADEN=1 trước và sau đó set ADSC=1.
•Bit 4 – ADIF(ADC Interrupt Flag): cờ báo ngắt. Khi một chuyển đổi kết thúc, bit này tựđộng được set lên 1, vì thế người dùng cần kiểm tra giá trị bit này trước khi thực hiện đọc giá trị chuyển đổi để đảm bảo quá trình chuyển đổi đã thực sự hoàn tất.
•Bit 3 – ADIE(ADC Interrupt Enable): bit cho phép ngắt, nếu bit này được set bằng 1 và bit cho phép ngắt toàn cục (bit I trong thanh ghi trạng thái của chip) được set, một ngắt sẽ xảy ra khi một quá trình chuyển đổi ADC kết thúc và các giá trị chuyển đổi đã được cập nhật (các giá trị chuyển đổi chứa trong 2 thanh ghi ADCL và ADCH).
•Bit 2:0 – ADPS2:0 (ADC Prescaler Select Bits): các bit chọn hệ số chia xung nhịp cho ADC. ADC, cũng như tất cả các module khác trên AVR, cần được giữ nhịp bằng một nguồn xung clock. Xung nhịp này được lấy từ nguồn xung chính của chip thông qua một hệ số chia. Các bit ADPS cho phép người dùng
chọn hệ số chia từ nguồn clock chính đến ADC. Tham khảo bảng 2.4 để biết cách chọn hệ số chia.
Bảng 2.4: Hệ số chia xung nhịp cho ADC.
ADPS2 ADPS1 ADPS0 Division Factor
0 0 0 2 0 0 1 2 0 1 0 4 0 1 1 8 1 0 0 16 1 0 1 32 1 1 0 64 1 1 1 128
(Bảng 76, trang 208 – datasheet ATmega8)
- ADCL và ADCH (ADC Data Register): hai thanh ghi chứa giá trị của quá trình chuyển đổi. Do module ADC trên AVR có độ phân giải tối đa 10 bits nên cần hai thanh ghi để chứa giá trị chuyển đổi. Tuy nhiên tổng số bít của hai thanh ghi 8 bit là 16, con số này nhiều hơn 10 bit của kết quả chuyển đổi, vì thế chúng ta được phép chọn cách ghi 10 bit kết quả vào hai thanh ghi này. Bit ADLAR trong thanh ghi ADMUX quy định cách mà kết quảđược ghi vào.
ADLAR=0:
15 14 13 12 11 10 9 8
- - - - - - ADC9 ADC8 ADCH
ADC7 ADC6 ADC5 ADC4 ADC3 ADC2 ADC1 ADC0 ADCL
7 6 5 4 3 2 1 0
ADLAR=1:
15 14 13 12 11 10 9 8
ADC9 ADC8 ADC7 ADC6 ADC5 ADC4 ADC3 ADC2 ADCH
ADC1 ADC0 - - - - - - ADCL
7 6 5 4 3 2 1 0
Thông thường, 2 thanh ghi data được sắp xếp theo định dạng ADLAR=0, ADCL chứa 8 bit thấp và 2 bit thấp của ADCH chứa 2 bit cao nhất của giá trị thu
được. Chú ý thứ tựđọc giá trị từ 2 thanh ghi này, để tránh đọc sai kết quả, chúng ta cần đọc thanh ghi ADCL trước và ADCH sau, vì sau khi ADCH được đọc, các thanh ghi data có thểđược cập nhật giá trị tiếp theo.
- SFIOR (Special FunctionIO Register C): thanh ghi chức năng đặc biệt, 3 bit cao trong thanh ghi này quy định nguồn kích ADC nếu chế độ Auto Trigger được sử dụng. Đó là các bit ADTS2:0 (Auto Trigger Source 2:0). Các loại nguồn kích được trình bày trong bảng 2.5.
7 6 5 4 3 2 1 0
ADTS2 ADTS1 ADTS0 - ACME PUD PSR2 PSR10 SFIOR
R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W
Bảng 2.5: Nguồn kích ADC trong chếđộ Auto Trigger.
ADTS2 ADTS1 ADTS0 Trigger Source
0 0 0 Free Running mode
0 0 1 Analog Comparator
0 1 0 External Interrupt Request 0
0 1 1 Timer/Counter0 Compare Match
1 0 0 Timer/Counter0 Overflow
1 0 1 Timer/Counter Compare Match B
1 1 0 Timer/Counter1 Overflow
1 1 1 Timer/Counter1 Capture Event