S12片内AD与AD9054片外高速ADC比较测试报告
贾秀江
上海交大机械设计及自动化研究所上海 200240
摘要：在全国大学生比赛中，如果采用摄像头方案，就需要对视频模拟信号进行AD转换。同时S12芯片本身自带AD转换器，但是考虑到单片机的总线周期限制，所以本文的主要目的就是对S12的片内AD与AD9054做了比较测试。通过实验发现S12的片内AD性能要好于AD9054，经过分析和研究，最终发现在对一行视频信号进行采集的时候，S12本身C语言的指令周期已经成为影响AD转换的一个重要影响因素。所以采用S12片内AD方案。
关键词：AD转换；指令周期；MC9S12单片机
Comparatively test between S12 AD and AD9054
Jia Xiujiang
School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University,
Shanghai 200240, China
Abstract: In the National University Intelligent Automotive Competition, the analog signal should be transferred to digital signal, if the camera method had been used. But, restricted by the bus clock, the speed of S12 AD transfer may be not fast enough for sampling. So this paper presents a comparatively test between S12AD and AD9054. By the test, the performance of S12AD is a little better than AD9054, because of that the instruction periods of C for the AD9054 has been a very important fact in AD transfer. So the S12AD is used in the final design.
Key words: AD transfer; instruction periods; MC9S12
第一节：前言
尝试片外AD方案的最主要原因是担心S12的片内AD数据采集和转换速率不够：普通CCD图像传感器通过行扫描方式，将图像信息转换为一维的视频模拟信号输出。CCD输出的信号变化很快，比如PAL制式的视频信号，每秒钟输出50帧图像信息（分为奇、偶场），每帧图像有312.5行，每行图像信号时间为64微秒，其中有效的图像信号约为56微妙左右。相比之下，S12的AD转换器采集速度较低：根据S12器件手册，进行10位AD转换所需要的时间为7微秒。这样，采集的图像每行只能有8个像素，水平分辨率很低。另一方面，每场图像可以采集300行左右的图像信息，所以图像垂直分辨率相对较高。从这种水平分辨率低、垂直分辨率高的图像中，我们无法获取具有足够精度的路径信息。(1)
如果采用片外AD9054方案，利用其AD转换特性（详见第二节），基本上可以不考虑ADC转换时间。从而减少单位点的采样时间，增加每一行视频信号的采样点数。为后面的视频信号处理和控制算法提供足够的数据点。所以本文就是通过实验来测试在S12单片机上采用摄像头方案到底有没有必要使用片外AD。接下来将首先介绍本实验所选择的片外
AD9054的一些技术参数和其特点，然后介绍为了对比所设计的实验方案和软件算法，最终
得出比较实验结果。然后简单研究分析一下实验结果，为摄像头方案提供相应的参考依据和
指导策略。
第二节： AD9054简介
AD9054是一款由美国模拟器件有限公司推出的集成单片模数转换器，它具有高速、低
功耗、尺寸小以及易使用等特点；同时还具有200MSPS 的高编译码能力，以及350MHz 的
全功率模拟带宽，从而能够满足高动态性能的需求。
为了降低成本和减少功耗，AD9054内部有一个内部＋2.5V 的参考电压和跟踪保持电
路。而用户只需要提供一个＋5V 的电源和一个编译码时钟。对于一般应用，并不需要外部
参考电压或者驱动模块。
AD9054的编译码端口可以直接输入TTL 、CMOS 或者正的ECL 逻辑信号，并且处理
单端或者不同输入。用户可以选择单通道或者双通道数字输出。当选择双通道工作模式的时
候，ADC 数据通过两个8位通道以一半的时钟频率输出。当ADC 时钟达到200MSPS 的转
换速度的时候，双通道工作模式可以减少外部数字接口的速度和功耗。单通道模式下，所有
数据以时钟速率通过通道A 输出。
图1 AD9054电路原理图
主要特性： 1， 200 MSPS 额定转换速率 2， 135 MSPS 低功耗模式 3， 350 MHz 模拟带宽 4， 1V p-p 模拟输入范围 5， 内部2.5V 参考电压T/H 6， 低功耗： 500mW 7， ＋5V 单供电
8， TTL 输出接口
9， 单、双通道输出
单通道采集时序图： 其中当前读到的数字信号为4个Encode 时钟周期前的信号值。
主要应用范围：
1， RGB 图像处理
2， 高速视频处理
3， 通道数据保存读取
4， 数字通讯
5， 数字仪器
6， 医学图像处理
图2 AD9054单通道Encode采集时序
第三节：实验方案介绍
利用AD9054 视频信号采样的硬件原理：
①视频模拟信号经过C7输入9054的AIN
②采用单通道（DA0－7）数字信号输出给S12的IO口
③利用S12的IO口输出高低电平（VRd）作为ENCODE 信号
④AD9054的8路输出接入S12的Port A
图3 AD9054 硬件原理图
利用AD9054 视频信号采样的软件原理：
首先初始化端口设置，等待场同步信号的到来；等场同步信号到来之后，行计数器清零为下面的行计数做好准备。然后对每一个行同步信号进行计数，等到所需要计数的行数到来以后对该行进行采样。进入AD采样函数：
单行视频信号采集程序流程图如图4所示，其中关键的AD9054数据读取函数部分为：void read_ad(void)
{
PTS_PTS3=0;
PTS_PTS3=1;
ad_data=PORTA;
}
其中通过对Port_T 3的置高置低来形成Encode信号。
图4 摄像头信号采集流程图
第四节：实验结果与分析
采用片外AD9054对摄像头信号进行采集并没有提高采集速率，在同等总线周期的情况
下，每行的采样点数略小于S12的片内AD。其实验数据如下：
8M 16M 32M AD9054 24 48 72 S12片内AD 26 52 78 表1 S12AD与AD9054在不同总线周期下采样能力比较
究其原因主要在于S12执行C代码的时间在对视频信号进行高速采样的时候已经成为
不可忽略的重要影响因素。参考每行（64us）中i＋＋代码所能够执行的次数：
总线周
期(Mhz)
4 6 8 1012 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 i++ 3
5 53 71 90108 12
6 144163181199218235254 272 291 309327346
表2 S12AD 在不同总线周期下64us 所能执行i++的次数
例如在总线周期为32Mhz 的情况下，单行执行i++ 291条，那么每执行一条语句需要
时间t ＝291
64us ＝0.23u 。而采用片外AD 的方法，需要用几条c 语句来对encode 进行操作，所以影响了整体采样时间。
由此可见，为了能够尽可能多的在每一行中采集视频信号，故采取片内AD 的办法是
比较可靠和实际的。在最终的应用方案中即在32M 的总线周期下，每行采集78个信号数据
点：
图5 单行视频信号采集
其中排除行消影信号，有效视频信号点为：12－78。在该采样周期下得到的视频信号数据已
经足以满足用来作为控制赛车的精度要求。所以采用S12的片内AD 作为摄像头方案的信号
采集AD 转换器是可行并且可靠的，不仅能够满足转向舵机简单的线性控制要求，还可以对
赛道进行预判和速度的精确控制。
参考文献：
[1] 基于面阵CCD 的赛道参数检测方法 卓晴 王琎 王磊 2006年3月
[2] https://www.doczj.com/doc/f4779675.html,/en/prod/0%2C2877%2CAD9054A%2C00.html