目录

一 项目背景

二 原理说明

三 设计实现——定时器初始化

四 设计实现——PWM捕获

五 梳理总结

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一 项目背景

        目前使用了TI的ADC采样芯片ADS1018实现模拟量4-20mA/0-20mA的采样，原理是将外部输入的模拟量信号4-20mA，经由并联的两个100Ω电阻，转换为0.2-1V的电压信号传递到模数转换芯片的入口，再由ADS1018（全量程设置为FS=±1.024V，对应码为0x7FF）将0.2-1V电压信号转换为数据码0x190-0x7D0（400-2000），即可以将外部输入4-20mA与内部采集数据400-2000对应上，如下图所示：

        但是限于成本和货期的问题，考虑将该款ADC换成国产的其他方案。

        又因为这边AD采样的是DCS或者PLC发出来的4-20mA/0-20mA信号，必须需要外加隔离，所以不能采用MCU自带的ADC外设直接采样的方案（MCU的ADC外设没有隔离功能，必须外接隔离芯片才行），所以该方案舍弃。

        找到一款客益电子（http://www.guestgood.com/）的APC/PAC芯片，可以将输入的模拟信号转化为PWM波的占空比输出，这边选用的APC芯片为GP9101。

二 原理说明

【1】APC/PAC芯片原理：

        A=Analog，P=PWM，C=Convertor。

        APC=Analog to PWM Convertor 是一种模拟信号转PWM信号的专用芯片，PAC=PWM to Analog Convertor是一种PWM信号转模拟信号的专用芯片。

        在信号调理领域，经常需要面对模拟量信号的传输、采集、控制等问题，传统的信号链芯片包括模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、运算放大器（OpAmp）、比较器（Comparator）等等，它们扮演着模数混合信号处理的主要角色。信号链芯片的功能基础而强大，经过精心的设计后能形成多种多样优秀的信号处理电路。但即便如此，在很多应用领域，传统的信号链芯片依然存在瓶颈和制约，无法达到理想的电路性能和技术指标，尤其在一些需要PWM信号的领域，传统的方法遇到许多困难。

        客益电子发明了一种新型的模拟信号处理的专用芯片，它实现了模拟信号与PWM信号间的高精度转换功能，我们称它为APC（Analog to PWM Convertor）和PAC（PWM to Analog Convertor）。 

 

【2】芯片特性：

        这边采用的芯片GP9101将输入0-VCC的信号转化为占空比0-100%，频率默认为1KHz的PWM波输出：

 

【3】采样原理：

        参考上面ADC采样的思路，将外部输入的模拟量信号4-20mA，经由并联的两个400Ω电阻，转换为0.8-4V的电压信号传递到APC芯片的入口，再由GP9101（供电Vcc=5V）将0.8-4V电压信号转换为占空比为16-80%的PWM交由MCU进行捕获，即可以将外部输入4-20mA与内部采集数据对应上，如下图所示：

三 设计实现——定时器初始化

        由上面的方案，首先需要实现的是定时器捕获PWM功能的初始化，我这边使用的主控芯片为小华的HC32F460，选用其高级控制定时器Timer6进行PWM捕获，端口选用B13，其功能是TIMER6_1_PWMB（Timer6的1单元B通道）：

        初始化程序如下：

/* TIMER6 unit and clock definition */
#define TIMER6_UNIT1                    (M4_TMR61)
#define TIMER6_UNIT1_CLOCK              (PWC_FCG2_PERIPH_TIM61)
/* TIMER6 channel B Port/Pin definition */
#define TIMER6_UNIT1_CHB                (Timer6GenCompareB)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_PORT           (PortB)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_PIN            (Pin13)
#define TIMER6_UNIT1_CHB_FUNC           (Func_Tim6)


void Timer6_APC_Config(void)  //APC测试，采样0.8V-4V电压，APC输出16%-80%占空比，经过64分频定时器捕获，输出比较值为420-2100（输入K/B需要调整为2100/400）
{
    stc_timer6_basecnt_cfg_t         stcTIM6BaseCntCfg;
    stc_timer6_port_input_cfg_t      stcTIM6CapxCfg;
    
    MEM_ZERO_STRUCT(stcTIM6BaseCntCfg);
    MEM_ZERO_STRUCT(stcTIM6CapxCfg);
    
    PWC_Fcg2PeriphClockCmd(TIMER6_UNIT1_CLOCK, Enable);
    
    PORT_SetFunc(TIMER6_UNIT1_CHB_PORT, TIMER6_UNIT1_CHB_PIN, TIMER6_UNIT1_CHB_FUNC, Disable);    //Timer61 PWMA
    
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntMode   = Timer6CntSawtoothMode;              //Sawtooth wave mode
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntDir    = Timer6CntDirUp;                     //Counter counting up
    stcTIM6BaseCntCfg.enCntClkDiv = Timer6PclkDiv64;                   //Count clock: pclk0/64(256分频也可以试一试)
    Timer6_Init(TIMER6_UNIT1, &stcTIM6BaseCntCfg);                          //timer6 PWM frequency, count mode and clk config

    Timer6_SetPeriod(TIMER6_UNIT1, Timer6PeriodA, 0xFFFFu);               //Period set

    stcTIM6CapxCfg.enPortSel  = Timer6xCHB;                            //Capture Input Port: PWM B port
    stcTIM6CapxCfg.enPortMode = Timer6ModeCaptureInput;                //Capture input function
    stcTIM6CapxCfg.bFltEn     = true;                                  //Input filter enable
    stcTIM6CapxCfg.enFltClk   = Timer6FltClkPclk0Div16;                //Filter clock
    Timer6_PortInputConfig(TIMER6_UNIT1, &stcTIM6CapxCfg);                 //Input config

    Timer6_ConfigHwCaptureB(TIMER6_UNIT1, Timer6HwTrigPWMBRise);       //HW Capture: Timer6 PWMB port rise trig

    Timer6_ConfigHwClear(TIMER6_UNIT1, Timer6HwTrigPWMBFall);          //HW Clear: Timer6 PWMB port fall trig
    Timer6_EnableHwClear(TIMER6_UNIT1);
    
    /*start timer6*/
    Timer6_StartCount(TIMER6_UNIT1);
}

四 设计实现——PWM捕获

        因为输入到MCU的PWM频率为1KHz，所以捕获定时器的周期值为：

                                                        主频                分频    输入频率

        捕获到的PWM比较值即为：

        所以由上面方案中采样到的4-20mA对应的占空比16-80%，计算得到的比较值即为：

        程序中的PWM捕获采用Timer6_GetGeneralCmpValue接口：

/**************************************************************************
* 函数名称： analogInputHandle
* 功能描述： 模拟量输入处理
* 输入参数：
* 输出参数：
* 返 回 值：
* 其它说明：
**************************************************************************/
float analogInputHandle(STRU_ANALOG_IO_CTRL *p_analog_ctrl)
{
    //...
    //这边捕获到的比较值是根据输入进来的PWM计算得到的
    remote_ctrl.AI1_read = Timer6_GetGeneralCmpValue(TIMER6_UNIT1, TIMER6_UNIT1_CHB);
    //...
}

        采集得到的remote_ctrl.AI1_read再经过公式（本例中，K=2100，B=420），对应得到4-20：

 

五 梳理总结

        这个APC替代ADC用于采样模拟量输入的方案，使用比较简单方便，但是精度并没有之前使用的ADS1018（12位精度）那么好，适用于对精度要求不高的场景。