MM32F5 系列漫谈 4：高性能模拟和 3 合 1 控制

cathy 发布于：周三, 06/01/2022 - 10:03 ，关键词：

MM32F5

漫谈系列的上一期中介绍了外设间互联矩阵 MindSwitch，用户可以通过 MindSwitch 将系统中的常用外设进行同步。本期，笔者就来聊聊 MM32F5270 中的高性能模拟外设，并以一个典型的 3 合 1 控制的例子来对前面几期的内容做一个综合的讲解。

1、高速 ADC

ADC 用于将模拟信号转换成数字信号，是微控制器应用中必不可少的外设之一。

MM32F5270 中包含了 2 组高速 SAR 结构 ADC，每组 ADC 支持最高 12 位分辨率和最高 3MSPS 采样率。其中 ADC1 支持 17 路外部通道（ADC1_INx），ADC2 支持 19 路外部通道(ADC2_INx)，两组 ADC 有 12 个通道是共用引脚的（ADC12_INx），因此总计可用的外部通道数是 17 + 19 – 12 = 24 通道。MM32F5270 中的具体 ADC 通道分布整理如下表：

ADC 的具体特点这里就不一一介绍，感兴趣的读者可以阅读 MM32F5270 用户手册。（https://www.mindmotion.com.cn/download/products/UM_MM32F5270_SC.pdf）

这里，对 MM32F5270 ADC 的部分创新特色做如下总结：

支持任意通道转换

支持转换通道的任意排列，最高可支持 16 个通道。这相对于仅能固定顺序扫描的 ADC 而言有两个优势：一是实际应用中通道间的采样顺序可能会变化，二是实际应用中不同通道的采样频繁程度是不同的，而任意转换序列 ADC 能够很好的应对这些场景。下图是一个例子，任意通道转换模式下，前 5 次转换中的通道编号是乱序的（任意可配的），且通道 12 和通道 6 仅转换 1 次，而通道 3 则转换了 3 次。

每个任意通道都有独立的结果寄存器

除了最近一次转换的结果，MM32F5270 的每个任意通道都有一个独立的结果寄存器，存储对应通道最近一次的转换结果。这样用户可以在所有ADC通道转换完毕后在需要使用的时刻再读取对应ADC通道的结果寄存器的值，而不需要每次转换后都读取，有效的降低了 DMA 或 CPU 对 ADC 的访问次数和软件复杂度。

支持自动注入模式

在任意通道转换方式下，完成任意通道转换后会自动开始注入通道转换。每个 ADC 支持最高 4 路注入通道，同样支持任意序列转换。需要注意的是，注入通道的触发源和常规通道的触发源是独立的，后文将要讲到的 ADC 分时复用就需要用到这个功能。

支持最高 256 次硬件过采样

MM32F5270 支持 2 到 256次可配的硬件过采样，当配置为 256次时，ADC 将 256 次的采样数值进行累加和硬件平均，并将结果存储在一个 16 位寄存器中。很多应用为提高采样准确度都需要进行多次采样求平均的操作，硬件过采样的优势是不需要 DMA 或 CPU 的数据搬运和计算就能得到平滑滤波后的结果。

触发源通过 MindSwitch 配置

通过 MindSwitch 配置的触发可以实现更灵活可配的触发，后文中的应用案例就将用到这一功能。

2、高速 COMP

比较器 COMP 用于比较两个模拟信号的电平，比较器因其比较速度快和响应速度快等特点，在实际应用中常用于做过流保护等安全保护措施。

MM32F5270 中包含了 3 组高速比较器 COMP1~3，每组比较器都具备如下特点：

● 参考源丰富

● 带窗口 Blanking 功能

● 支持轮询

● 支持滤波

● 带极性选择功能

在实际应用中，往往是将外部的模拟信号和一个参考电压值通过比较器进行比较，这个参考电压值往往是一个固定电平，其可以从芯片外部输入，也可以由芯片内部提供。MM32F5270 的比较器支持这两种方式，并且提供了丰富的电压参考源包括：

● CRV 的输出

● DAC1 的输出

● DAC2 的输出

这里，CRV 的全称是 Comparator Reference Voltage，是一个低分辨率的电阻分压网络，可提供 1/20 到 16/20 共 16 档参考电压，其分压源可以选择是 VDDA 或者内部 1.2V 带隙基准电压。以 VDDA = 3V 为例，其分压范围为 150mV 到 2.4V，每 150mV 一档，共 16 档。

如果需要更精确的参考电压，则可以采用 DAC1 或 DAC2 的输出，这里的两个 DAC 都是 12 位分辨率。以 VDDA = 3V 为例，其分压范围为 0V 到 3V，共 4096 档，分辨率约为 0.7 mV（仅是理想分辨率，真实分辨率会更大）。

不论是 CRV 还是 DAC，其相较于外部输入的最大优势是其电压可随时调整。

每组 COMP 支持 4 路正向输入和7路负相输入，其中正向输入全部由外部引脚输入，而 7 路负相输入中包含了 3 路外部引脚输入、1 路 CRV 输出、1 路 DAC1 输出和 1 路 DAC2 输出，总结如下表：

上面的提到的 2 组 DAC 除了可以为比较器提供参考电压外，它们还带有一定的输出驱动能力，支持最快 1MSPS 转换率，可以不需要外部放大器而直接驱动负载，非常适用于一些音频应用。此外，DAC 还支持硬件自动生成三角波，用户也可以通过精确的触发控制和数据输入来通过 DAC 生成更复杂的正弦波或任意波形。

3、应用场景：3 合 1 控制

经过上述介绍，相信读者对于 MM32F5270 中的高性能模拟外设已经有所了解。接下来，笔者就将前几期介绍内容和本期内容结合在一起，通过一个常见的应用案例来讲解。

实际应用中的一个趋势是系统的集成度越来越高，很多嵌入式系统会将原本分布在多个 MCU 中的功能集成在同一个主控 MCU 中，在汽车、家电和消费电子领域中都能观察到这种趋势，这样做能够带来开发便捷、节省空间、节省成本、节省线束等多种好处，通常可以把这种多功能合并的结构叫做多合一控制，举几个典型的例子：

2 合 1

2 合 1 典型场景是双电机控制，具体应用包括洗烘一体洗衣机中的滚筒电机 + 热泵风扇控制、割草机中的割草电机 + 行进电机控制、电动三轮车中的差速电机控制等等。对于此类应用，灵动的 MM32SPIN0280 就非常适合，其配备了96MHz M0 内核、硬件除法和开方、双 3MSPS ADC + 双高级定时器、多路运放和比较器，感兴趣的读者可以点击链接进一步了解。

3 合 1

3 合 1 典型的应用是空调外机中的 PFC + 压缩机 + 风机控制，对于此类应用，其对于 CPU 性能的要求往往更高，因此，目前市面上的方案往往是 Cortex-M4 及以上性能的 MCU 或 DSP 来实现。MM32F5270 配备了 120MHz 的 Armv8 “星辰”处理器，带有 DSP 和 FPU 扩展，单位主频性能相较于 Cortex-M4 提升约 20%，并配有多并发的总线架构、高效互联系统 MindSwitch、多路定时器以及本期重点讲解的高性能模拟外设，非常适合用于此类 3 合 1 的应用场景。

4 合 1

典型的应用是四旋翼飞行器的四个螺旋桨控制，甚至可以将电机控制和飞控进行合并，此类应用往往需要 Cortex-M7 或以上性能的 MCU 或 MPU 来实现。

这里，笔者就以空调外机 3 合 1 控制这个典型应用来说明 MM32F5270 的高性能配置。

空调外机的主体部分包括 1 路 PFC、1 路压缩机和 1 路风机。这里，对这3个模块的参数做如下约束：

● PFC

采用 Boost 结构，通过 1 路 PWM 驱动 MOS 管以控制功率因数校正网络，PWM 周期为 64KHz，电流环为 32KHz，带过流保护。

● 压缩机

永磁同步电机，采用无感 FOC 控制，单电阻采样，PWM 周期和电流环均为 16KHz，带过流保护。

● 风机

永磁同步电机，采用无感 FOC 控制，单电阻采样，PWM 周期和电流环均为 16KHz，带过流保护。

其中，Boost PFC 的原理图如下：

单电阻无感 FOC 电机控制原理图如下：

根据上述约定：每路电机需要 3 相互补 PWM 来驱动，1 路高速 ADC 去做电流采样，多个定时器通道去控制 ADC 的采样点，以及 1路比较器做过流保护；PFC 则需要 1 路 PWM 输出去做功率因数校正，1 路高速 ADC 去做电流采样，1个定时器通道去控制 ADC 的采样点，以及 1 路比较器做过流保护。

这里，考虑到两路电机的 PWM 周期完全一致，因此可以很容易的将两路电机的处理（包括采样和计算）在时序上分割开，这样，两路电机就可以共用一组 ADC 进行分时采样，而另一组 ADC 可以留给 PFC 使用。

MM32F5270 中配置了 2 组高级定时器（TIM1 & TIM8）、4 组通用定时器（TIM2~5）、3 组比较器（COMP1~3）、2 组独立 DMA（DMA1~2，可分别用于两组 ADC），并通过 MindSwitch 和 CLU 将上述外设进行精确同步，能够满足上述资源需求。资源分配整理如下表：