在过程控制和仪器仪表中，多数情况下是由嵌入式计算机进行实时控制及实时数据处 理的。计算机所加工的信息是数字量，而被测控对象往往是一些连续变化的模拟量（如温 度、压力、速度或流量等）。模数（A/D，Analog / Digital）转换模块是计算机与外界连接 的纽带，是大部分嵌入式应用中必不可少的重要组成部分，该部分的性能直接影响到嵌入 式设备的总体性能。
本章首先简要阐述 A/D 转换的基础知识，接着给出 MCF52233 单片机内部 A/D 转换 模块的基本编程方法，并封装了 A/D 转换构件，可供实际开发参考使用。
6.1 AD转换的基本问题
A/D 转换模块（Analog To Digital Convert Module）即模/数转换模块，其功能是将电 压信号转换为相应的数字信号。实际应用中，这个电压信号可能由温度、湿度、压力等实 际物理量经过传感器和相应的变换电路转化而来。经过 A/D 转换后，MCU 就可以处理这 些物理量。进行 A/D 转换，应该了解以下一些基本问题：第一，采样精度是多少；第二，
采样速率有多快；第三，滤波问题；第四，物理量回归等。
1．采样精度
采样精度就是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，即我们通常所说的采样 位数。通常，MCU 的采样位数为 8 位，某些增强型的可达到 10 位，而专用的 A/D 采样 芯片则可达到 12 位、14 位、甚至 16 位。设采样位数为 N，则最小的能检测到的模拟量 变化值为 1/2N。例如以 MCF52233 为例，其采样精度最高为 12 位，参考电压为 3.3V，则 检测到的模拟量变化为 3.3/212=0.8mV。
2．采样速率
采样速率是指完成一次 A/D 采样所要花费的时间。在多数的 MCU 中要花费大于 15~20 个指令周期。因而此速率和所选器件的工作频率有很大关系。
3．滤波
为了使采样的数据更准确，必须对采样的数据进行筛选去掉误差较大的毛刺。通常我 们采用中值滤波和均值滤波来提高采样精度。所谓中值滤波，就是将 M 次连续采样值按 大小进行排序，取中间值作为滤波输出。而均值滤波，是把 N 次采样结果值相加，然后 再除以采样次数 N，得到的平均值就是滤波结果。若要得到更高的精度，可以通过建立其 他误差模型分析方式来实现。
第 6 章 MCF52233 的 AD 转换模块
134 4．物理量回归
在实际应用中，得到稳定的 A/D 采样值以后，还需要把 A/D 采样值与实际物理量对 应起来，这一步称为物理量回归。A/D 转换的目的是把模拟信号转化为数字信号，供计算 机进行处理，但必须知道 A/D 转换后的数值所代表的实际物理量的值，这样才有实际意 义。例如，利用 MCU 采集室内温度，A/D 转换后的数值是 126，实际它代表多少温度呢？
如果当前室内温度是 25.1℃，则 A/D 值 126 就代表实际温度 25.1℃。实现这种对应关系 有多种方法，本章将在 6.4 节的实际应用模型中对物理量回归概念做进一步说明。
6.2 MCF52233的AD转换结构与特性
MCF52233 的 A/D 转换（ADC）由 5 个主要功能模块组成，即输入多路复用器、采 样和保持单元、转换器单元、结果寄存器和控制单元。虽然 ADC 是 MCF52233 上的一个 独立模块，包含有两个独立的转换器 A 和 B，它们共享一个公共参考电压和数字控制模 块，但各自有独立的输入多路复用器、采样和保持单元以及转换逻辑。因此，ADC 模块 可以实现两路模拟量同时采样。
ADC 的转换过程可以由同步信号（SYNCn）或者向控制寄存器的开始位 STARTn 写 1 来启动。扫描顺序由通道列表寄存器 1/2(ADLST1/ADLST2)决定，这两个寄存器共有 8 个采样槽 SAMPLEn（0 <= n <= 7），可分别对应一路采样通道 ANn（0 <= n <= 7）。
ADC 有两种基本扫描模式：顺序扫描和并行扫描。在顺序扫描过程中，从采样槽 0 到 7 依次进行扫描；在并行扫描过程中，转换器 A 从采样槽 0 到 3 依次扫描，转换器 B 从采样槽 4 到 7 依次扫描。ADC 模块还提供了采样禁止寄存器 ADSDIS，用于禁止某些 采样槽。并行扫描可以是同步的或者是非同步的。同步扫描时，A 和 B 两个转换器的扫 描是同时进行的，同时产生转换结果对。它们共享开始、停止、同步、扫描结束中断使能 控制位。当转换器 A 和 B 中的任意一个遇到被禁止的采样槽时，两个转换器都会终止扫 描。非同步扫描时，两个转换器的并行扫描是独立的，相对于同步扫描，它们有各自的开 始、停止、同步、扫描结束中断使能控制位。当转换器 A 或 B 遇到被禁止的采样槽时，
就会终止自身的扫描，但不会影响另一个转换器的扫描。
ADC 可以配置为执行单次扫描和停止，触发时执行一次扫描，或重复的扫描采样槽 序列直到手动停止。在单次扫描中，触发器必须为每次扫描进行重新装备，装备可以在前 一个出发后，甚至在前一个扫描还在进行中随时进行。在扫描采样槽序列结束时会产生一 些可选的中断，包括表明一次扫描结束、采样结果超出范围或者满足了一些不同的过零条 件。
ADC 的输入模式分为单端输入模式和差分输入模式，由控制 1 寄存器（CTRL1）的 通道配置域 CHNCFG 决定。在单端输入模式下，设 VIN是某一路 ANn 单端输入模拟电压，
VREFH是 ADC 模块的正参考电压（3.3V），VREFL是 ADC 模块的负参考电压（0V），那么该 路 12 位 AD 转换结果是：((VIN-VREFL)/(VREFH-VREFL))*4095。所以，当单端输入电压为 3.3V 时，AD 转换有最大值 4095；而如果输入 0V，则有最小值 0。在差分模式下，8 路模拟量
135
输入分成 AN0-1、AN2-3、AN4-5 和 AN6-7 共 4 个差分对。序号为偶数的模拟量输入 ANn
（n = 0,2,4,6）作为差分信号的正端，序号为奇数的模拟量输入 ANn（n = 1,3,5,7）作为差 分信号负端。设 VIN1和 VIN2分别是差分对中的正端和负端模拟电压，那么相应差分模拟输 入的 12 位转换结果是：((VIN1- VIN2)/(VREFH-VREFL))*4095。所以，当差分信号正负端的压差为 3.3V 时，AD 转换有最大值 4095；当压差为-3.3V，则有最小值 0；而压差为 0 时，对应 的 AD 值是 2048。
以上计算得到的是扫描每个采样槽 SAMPLEn 的原始转换结果，该结果是一个无符号 数，由于 MCF52233 ADC 模块的转换精度为 12 位，所以它的范围是 0～4095，该结果要 经由 ADC 的加法器进行偏移量修正，即要减去对应偏移量寄存器 ADOFSn 中的偏移值，
得到一个有符号数，存入对应的结果寄存器 ADRSLTn 中。如果偏移量设为 0，那么修正 后的结果就是一个无符号数（正数，符号位为 0）。同时，原始转换结果要与上限和下限 寄存器中的值比较，结果寄存器中的值要进行过零检验。要注意的是，结果、偏移量、上 限和下限寄存器都是 16 位的，它们的后 3 位不能写，且读出总是 0， 因此，实际上 12 位的原始结果要先向右移 3 位，才能进行偏移量修正等操作。
MCF52233 ADC 的主要特性总结如下：
（1）12 位的转换精度。
（2）A/D 转换的时钟频率最高为 5MHz。
（3）采样速率高达每秒 1.66 百万次。
（4）一次一路 A/D 转换时间为 8.5 个 ADC 时钟周期（1.7µs），后续每路为 6 个 ADC 时钟周期（1.2µs）。
（5）在并行模式下，8 路 A/D 转换总时间只要 26.5 个 ADC 时钟周期（5.3µs）。
（6）有并行和顺序两种采样模式。
（7）内部的多路复用器可以选择 8 路输入中的 2 路。
（8）电源节省模式可以自动关闭/启动整个或部分 ADC 模块。
（9）没有被选择的输入口能够容纳电流的流动而不会影响到 ADC 性能，并且能够 在工业噪声环境中工作。
（10）在一次扫描结束后可以允许超限或过零中断。
（11）可以对采样进行修正，即将最初的 ADC 值减去预先编程设定的偏移量从而得 到最终的 ADC 转换结果。
（12）ADC 结果可以是有符号数或无符号数。
（13）这些输入引脚可以是单端输入、差分输入，或是两种输入方式兼有。
6.3 MCF52233的AD模块编程寄存器
MCF52233 单片机的 8 路 12 位 A/D 转换模块引脚为 AN7/PAN7～AN0/PAN0，每一个 引脚都可以实现模拟量（ANx）/数字量（PANx）的复用输入。
MCF52233 的 A/D 转换模块有 43 个寄存器，它们是：2 个控制寄存器（CTRL1～
CTRL2）、1 个过零控制寄存器（ADZCC）、2 个通道列表寄存器（ADLST1 和 ADLST2）、
第 6 章 MCF52233 的 AD 转换模块
136
1 个采样禁止寄存器（ADSDIS）、1 个状态寄存器（ADSTAT）、1 个限制状态寄存器
（ADLSTAT）、1 个过零状态寄存器（ADZCSTAT）、8 个结果寄存器（ADRSLTn）、8 个 下限寄存器（ADLLMTn）、8 个上限寄存器（ADHLMTn）、8 个偏移量寄存器（ADOFSn）、
1 个电源控制寄存器（POWER）、1 个电压参考寄存器（CAL）。通过对这些寄存器的编程，
就可以获取 A/D 转换数据。