ADC——电压采集

Baekhyn0506 2023-02-15 11559

模拟技术

2347人已加入

描述

ADC——电压采集

25.1. ADC简介

ADC即模拟数字转换器，ADC英文全称（Analog-to-digital converter），是一种用于将模拟电压的连续信号转换为离散的数字信号。就比如我们可以将我们生活中的温度、压力、声音这样的模拟信号通过ADC转化为我们可以通过单片机处理的数字信号。

RA6M5 有2个ADC单元，每个ADC单元有12位、10位、8位读取数据的格式可以选择，在单元0上有13个ADC通道，而在单元1上有16个ADC通道。 ADC单元具有三种扫描方式分别为：单次描模式、连续扫描模式和分组扫描模式，对于RA6M5来说ADC单元具有强大的功能，具体我们可以通过ADC特性和ADC的结构框图中分析每个部分的功能。

25.1.1. ADC特性

2 个ADC转换单元。
可以进行TrustZone安全设置。
支持内部温度检测，内部参考电压。
逐次逼近型ADC，支持的分辨率：12-bit, 10-bit, 8-bit。
转换时间短：0.4 μs/每通道（12-bit ADC、时钟PCLKC (ADCLK)等于50 MHz的条件下）。
可启用A/D 数据存储缓冲区是一个环形缓冲区，由16个缓冲区组成，用于顺序存储A/D转换后的数据。
自诊断在每次扫描开始时执行一次，在ADC执行生成中的三个参考电压值中选择一个A/D转换值。

25.2. ADC的结构框图

开发板 ### 25.2.1. 电压输入范围

ADC输入范围为：VREFL- ≤ VIN ≤ VREFH+。 RA6M5的参考电压是由VREFL、VREFH 、AVCC0 、AVSS0 这四个外部引脚决定，且每个单元可以设置不同的参考电压，具体我们可以通过设置不同通道的VREFL、VREFH进行改变。

我们在设计原理图的时候一般把AVSS0和VREFL接地，把AVCC0和VREFH接3V3，得到ADC的输入电压范围为：0-3.3V。如果我们想让输入的电压范围变宽，可以测试负电压或者更高的正电压，我们可以在外部加一个电压调理电路，把需要转换的电压抬升或者降压到0~3.3V，这样ADC就可以测量了，为了测量的准确性我们还可以加上磁珠进行滤波。

25.2.2. 工作模式

在ADC单元0中有多达13个模拟输入通道，而在ADC单元1中有多达16个模拟输入通道以及内部的温度传感器输出，两个ADC单元加起来总共就拥有了29个ADC通道，这么多的ADC通道我们该如何使用它们呢? 在这里我们就可以引入工作模式的概念，我的单片机上的ADC处在什么样的工作模式进行ADC转换以及我们该如何进行设置。

开发板

单次扫描模式：在单次扫描下，一次扫描一个或多个指定通道。
连续扫描模式：在连续扫描下，一个或多个指定的通道被重复扫描，直到软件设置寄存器ADCSR.ADST位为0。
分组扫描模式：将所选择的模拟输入通道上分为A组和b组，然后按组对所选择的模拟输入通道进行一次A/D转换。 A、B组可独立选择扫描启动条件，可独立启动A、B组的A/D转换。

在单次扫描模式下和在连续扫描模式下，都会从最小的扫描通道开始从低到高进行A/D转换。如果开启了自诊断模式，在每次扫描开始时执行一次，并转换三个参考电压中选择一个。每一种转换都有着它的优点和缺点，但具体使用什么模式进行ADC转换，就需要通过我们的项目的需求需要什么样的效果来决定。

25.2.3. 转换过程顺序

有三种扫描转换模式分别为:单次扫描模式、连续扫描模式、组扫描模式。在扫描中，A/D转换是按顺序对指定通道的模拟输入进行的。

单次扫描模式 ：

在单次扫描模式转换期间，我们可以通过ADST为来判断ADC是否处在工作状态，在ADC转换的期间ADST为将一直保持为1，当所有选定通道的ADST转换完成时，将自动设置为0。然后ADC将进入一个等待状态。

当ADCSR.ADST位通过软件触发器、同步触发器输入（ELC）和异步触发器输入被置1的时候，ADC转换开始。对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小的n的通道开始。
每当单个信道的A/D转换完成时，A/D转换结果都被存储在关联的A/D数据寄存器（ADDRy）中。
当所有选定通道的A/D转换完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i = 0,1）中断请求。

连续扫描模式 ：

在连续扫描模式下，对指定信道的模拟输入重复执行A/D转换。这里的ADCSR.ADST位不会自动清除,只要ADCSR.ADST位保持1时就会一直的重复步骤2、步骤3、步骤4，直到ADCSR.ADST位通过软件被置0时ADC单元转换才会停止，之后ADC单元进入等待状态。

当ADCSR.ADST位通过软件触发器、同步触发器输入（ELC）和异步触发器输入被置1的时候，ADC转换开始。对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小的n的通道开始。
每当单个信道的A/D转换完成时，A/D转换结果都被存储在关联的A/D数据寄存器（ADDRy）中。
当所有选定通道的A/D转换完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i = 0,1）中断请求。
对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小的n的通道开始。

组扫描模式 ：

在群组扫描模式下，请选择A、B两组，分别选择A、B两组的开始扫描条件，并在不同的时间开始扫描。另外我们还可以设置优先级，假设我们设置A组优先级高于B组优先级操作时，就可以在B组A/D转换时打断它，使得A组进行A/D转换，而B组暂停A/D转换。

我们以ELC为列例子：使用GPT作为A组的触发源，并使用A组作为B组的触发源。

当ELC0上的GPT触发ELC_ADC（A组）时，A组的ADC开始转换。
当组A扫描完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i = 0,1）中断。
B组的扫描由ELC_ADC（A组）开始。
当B组扫描完成时，如果ADCSR.GBADIE位为1时将生成一个ADC12i_GBADI（i = 0,1）中断。

25.2.4. 触发源

通道选好了，工作模式也设置好了，那么接下来就需要设置我们的触发源了。我们可以设置软件来触发ADC、或者通过使用ELC进行触发、甚至我们还可以使用外部中断进行触发。最终我们的目的是为了使得ADCSR.ADST位被置1，以至于我们可以使用不同的方式进行触发。

下图为我们可以在FSP里选择的模式：

开发板

25.2.5. ADC转换时间

25.2.5.1. ADC时钟

ADC输入时钟（转换时钟）ADCLK由PCLKC经过分频产生，最大值是四分频50MHz，ADC允许的最大值是50MHz，当我们使用50 MHz的时候12-bit转换时间为0.4 μs。 PCLKA 和 PCLKC (ADCLK) 的分频比可以设置为 1:1, 2:1, 4:1, 8:1, 1:2, 1:4。

25.2.5.2. 采样时间

开发板扫描转换时间(tSCAN)包括：扫描开始时间(tD)、断开检测辅助处理时间(tDIS)*1、自诊断A/D转换处理时间(tDIAG和tDSD)*2、A/D转换处理时间(tCONV)、扫描结束时间(tED)。

A/D转换处理时间(tCONV)由输入采样时间(tSPL)和逐次逼近转换时间(tSAM)组成。采样时间(tSPL)用于在A/D转换器中对采样和保持电路充电。如果由于模拟输入信号源的高阻抗而没有足够的采样时间，或者如果A/ D转换时钟(ADCLK)很慢，可以使用ADSSTRn寄存器来调整采样时间。

由逐次逼近(tSAM)转换的时间如下

12位精度需要13个ADCLK
状态10位精度需要11个ADCLK
状态8位精度需要9ADCLK

选择通道数为n的单次描模式下的扫描转换时间(tSCAN)可确定为:

开发板连续扫描模式下第一个周期的扫描转换时间为单次扫描减去tED的tSCAN。连续扫描模式下第二次及后续周期的扫描转换时间固定如下:

开发板

25.2.6. 数据寄存器

在RA6M5的ADC中的数据寄存器有很多种，用来保存不同描模式下的数据比如：ADDRn寄存器是16位只读寄存器（n=0~15），用来存储A/D转换结果、ADTSDR寄存器用来保存内部的温度传感器数据寄存器、 ADRD寄存器是用来自动诊断数据寄存器、ADOCDR寄存器是ADC内部参考电压数据寄存器。

我们还可以通过一些寄存器来设置数据的格式比如： ADC转换精度选择由ADCER.ADPRC[1:0]位设置(12位、10位、8位可选)、 ADC数据寄存器格式选择位ADCER.ADRFMT位设置(左对齐或右对齐)

25.2.7. 电压转换

模拟电压经过ADC转换后，是一个12位的数字值，如果通过串口以16进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压，也可以跟实际的模拟电压（用万用表测）对比，看看转换是否准确。

我们一般在设计原理图的时候会把ADC的输入电压范围设定在：0~3.3v，因为ADC是12位的，那么12位满量程对应的就是3.3V，12位满量程对应的数字值是：2^12。数值0对应的就是0V。如果转换后的数值为 X ，X对应的模拟电压为Y，那么会有这么一个等式成立： 2^12 / 3.3 = X / Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。

25.3. ADC程序设计

25.3.1. 硬件设计

开发板 ADC引脚 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter25/chapter25.html#id22 "永久链接至表格")| ADC引脚 | P000 |
| ----------------- | ------ |

25.3.2. 软件设计

25.3.2.1. 新建工程

因为本章节的 ADC 相关实验例程需要用到板子上的串口功能，因此我们可以直接以前面的“19_UART_Receive_Send”工程为基础进行修改。

对于 e2 studio 开发环境：拷贝一份我们之前的 e2s 工程模板 “19_UART_Receive_Send” ，然后将工程文件夹重命名为 “25_ADC” ，最后再将它导入到我们的 e2 studio 工作空间中。

对于 Keil 开发环境：拷贝一份我们之前的 Keil 工程模板 “19_UART_Receive_Send” ，然后将工程文件夹重命名为 “25_ADC” ，并进入该文件夹里面双击 Keil 工程文件，打开该工程。

25.3.2.2. FSP配置

我们先打开e2 studio软件里面的 Smart Configurator 配置FSP。

双击 configuration.xml 打开配置界面：然后点开依次点击 Stacks -> New Stack -> Analog -> ADC(r_adc) 来配置ADC模块。

ADC页面的属性介绍

开发板 ADC 属性介绍 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter25/chapter25.html#id23 "永久链接至表格")| ADC属性 | 描述 |
| - | - |
| ----------------------------- |

乌因特	指定要使用的ADC单元
再接	指定转换分辨率
对准	指定转换结果对齐方式
阅读后清除	读取转换结果后自动清除
模式	模式
双扳机装置	双触发
正常/A 组触发器	A的触发模式
回调	回调函数
扫描结束中断优先级	扫描完成中断优先级
模数转换器环形缓冲器	ADC环形缓冲区

配置完成之后可以按下快捷键“Ctrl + S”保存，最后点右上角的 “Generate Project Content” 按钮，让软件自动生成配置代码即可。

25.3.2.3. ADC初始化

void adc_Init(void)
{
   fsp_err_t err;
   err = R_ADC_Open(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_cfg);
   err = R_ADC_ScanCfg(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_channel_cfg);
   assert(FSP_SUCCESS == err);
}

R_ADC_Open()为整个外设设置操作模式、触发源、中断优先级和配置。如果启用了中断，该函数将注册一个回调函数指针，以便在扫描完成时通知用户。
R_ADC_ScanCfg()配置ADC扫描参数。通道特定设置是在这个函数中设置的。

25.3.2.4. ADC回调函数

volatile bool scan_complete_flag = false;
void adc_callback(adc_callback_args_t * p_args)
{
   FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_args);
   scan_complete_flag = true;
}

在FSP配置页面注册回调函数以及优先级，我们就可以使用来自ADC的中断回调函数了。

注解

我们通过ADC的中断回调函数来判断ADC是否转换完成。我们需要定义了一个布尔类型的数据scan_complete_flag来当做ADC读取完成的标志位。当没有转换完成的时候scan_complete_flag的值一直为false,单ADC触发中断的时候将scan_complete_flag的值变为true。

25.3.2.5. 如果未启用中断

如果未启用中断，则可使用R_ADC_StatusGet() API 用于轮询 ADC 以确定扫描何时完成。读取 API 函数用于访问转换后的 ADC 结果。这适用于支持校准的MCU的普通扫描和校准扫描。

25.3.2.6. ADC读取转换后的数值

ADC读取思路，我们在这里调用R_ADC_ScanStart触发相应的adc通道转换，当ADC转换完成之后会将scan_complete_flag标志位变为true。当我们判断到标志位变为true后我们使用R_ADC_Read()或R_ADC_Read32()读取转换完成的数值。

double adc_read(void)
{
   uint16_t adc_data;
   double a0;


   (void)R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
   scan_complete_flag = false;
   while (!scan_complete_flag)
   {
      ;
   }

   R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_0, &adc_data);
   a0 = (double)(adc_data*3.3/4095);
   return a0;
}

R_ADC_ScanStart()启动软件扫描或启用扫描的硬件触发器，具体取决于触发器在R_ADC_Open调用中的配置方式。如果该单元被配置为ELC或外部硬件触发，那么该功能允许触发信号到达ADC单元。该函数不能控制触发器本身的生成。如果该单元被配置为软件触发，则该功能启动软件触发扫描。
R_ADC_Read()从单通道或传感器寄存器读取转换结果，返回的数据为uint16_t型。
R_ADC_Read32()从单通道或传感器寄存器读取转换结果，返回的数据为uint32_t型。

25.3.2.7. hal_entry函数

void hal_entry(void)
{

   err = R_SCI_UART_Open(&g_uart4_ctrl, &g_uart4_cfg);
   printf("开始读取ADC的数值\\r\\n");
   adc_Init();


   while(1){
      printf("a0=%f\\r\\n",adc_read());
      R_BSP_SoftwareDelay(1000,BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); //大概1秒钟读取一次
   }



#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
   /* Enter non-secure code */
   R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

25.3.3. 下载验证

用USB线连接开发板“USB TO UART”接口跟电脑，在电脑端打开串口调试助手，把编译好的程序下载到开发板。在串口调试助手可看到ADC引脚读出的模拟数值。

打开APP阅读更多精彩内容