Описание протокола ADC. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллеров AVR Adc описание
В микроконтроллерах STM32 есть мощный модуль АЦП, который имеет действительно хорошие характеристики и интересные особенности:
- 18 каналов ввода (16 внешних и 2 внутренних)
- разрешение 12 бит
- всевозможные режимы преобразования:
- однократное
- непрерывное
- по триггеру
- по таймеру
- удобное выравнивание битов результата
- конечно же, генерирование всевозможных прерываний и сигналов для DMA
- скорость оцифровки - до 0.9 MSPS с программируемым временем захвата и преобразования
- автокалибровка
- режим сканирования входов по списку
- аналоговый вотчдог
Необходимость в этом модуле возникает часто: просто потому, что природа вокруг нас не дискретна, а непрерывна, и всевозможные датчики обычно выдают именно аналоговый сигнал. Особенно это касается звука, но точно так же можно сделать и, к примеру, осциллограф: популярный китайский USB-осциллограф DSO Nano сделан именно на STM32F103.
Внутреннее строение
Измерение и опорные напряжения
Принцип оцифровки очень прост: входное напряжение сравнивается с опорными напряжениями V_REF- и V_REF+:
- V_REF- нужно подключить к земле
- V_REF+ по желанию: либо к питанию процессора (оно плавающее и шумное, поэтому этот вариант годится только для неточных измерений), либо к внешнему источнику опорного напряжения (ИОН)
Впрочем, есть возможность программно настроить эти ноги на прямое соединение с землёй и питанием.
Входное напряжение V_In будет измерено относительно V_REF- и V_REF+, и результат преобразования сложен в выходной регистр в такой пропорции:
К примеру, 1.2 В при питании АЦП от 3.3 В преобразуются в 1490.
Регистры АЦП в STM32
SR - регистр статуса
0 бит: флаг AWD (Analog WatchDog). Входной сигнал пересёк значения регистров LTR или HTR.
1 бит: флаг EOC (End Of Conversion). После окончания преобразования переключается в 1. Сбрасывается вручную или при чтении регистра DR.
4 бит: флаг STRT (Start). Сигнализирует о начале преобразования.
CR1 - первый регистр настроек
0..4 биты: значение AWDCH (Analog WatchDog Channel). Задаёт номер канала для слежения вотчдогом.
5 бит: EOCIE (End Of Conversion Interrupt Enable). Включает прерывание по окончанию преобразования.
6 бит: AWDIE (Analog WatchDog Interrupt Enable). Включает прерывание по срабатыванию аналогового вотчдога.
7 бит: JEOCIE.
8 бит: SCAN. Включает режим сканирования каналов по списку в регистрах SQR1, SQR2, SQR3.
9 бит: AWDSGL (Analog WatchDog Single). Задаёт тип срабатывания вотчдога в режиме SCAN: на один канал (1) или на все (0).
10 бит: JAUTO.
11 бит: DISCEN (Discontinious mode Enabled). Включает «рваный» режим работы - АЦП включается по внешнему триггеру.
12 бит: JDISCEN.
13..15 биты: DISCNUM (Discontinious mode Number of channels). Количество каналов для преобразования в «рваном» режиме.
16..19 биты: DUALMOD (Dual Mode selection). Задаёт режим совместной работы двух АЦП.
22 бит: JAWDEN.
23 бит: AWDEN (Analog WatchDog Enabled). Включает аналоговый вотчдог.
CR2 - второй регистр настроек
0 бит: ADON (Analog/Digital converter On/off). Включает АЦП.
1 бит: CONT (Continious coversion). Включает режим однократного (0) или зацикленных измерений (1).
2 бит: CAL (Calibration). Установка в 1 включает калибровку; после окончания калибровки сбрасывается в 0. Сначала нужно сбросить регистры.
3 бит: RSTCAL (Reset Calibration). Сброс регистров калибровки, точно так же устанавливаем в 1 и ждём сброса.
8 бит: DMA. Включает DMA.
11 бит: ALIGN. Выравнивает данные по правому (0) или левому (1) краю регистра.
12..14 бит: JEXTSEL.
15 бит: JEXTTRIG.
17..19 бит: EXTSEL (External event Select). Назначает номер события для запуска (TIM1 CC1, TIM1 CC2, TIM1 CC3, TIM1 CC4, TIM3 TRGO, TIM4 CC4, EXTI_11, SWSTART).
20 бит: EXTTRIG (External Trigger). Включает запуск преобразования по внешнему триггеру.
21 бит: JSWSTART.
22 бит: SWSTART (Start conversion). Запускает преобразование. После окончания сбрасывается.
23 бит: TSVREFE (Temp sensor and V_REF Enabled). Включает температурный сенсор и внутренний ИОН.
DR - регистр результата измерения
SMPR1, SMPR2 - время преобразования
Регистр настройки времени преобразования для каждого канала.
HTR и LTR - пределы вотчдога
Верхний и нижний пределы для аналогового вотчдога, аналогичны регистру DR.
SQR1, SQR2, SQR3 - список каналов для сканирования
Режим SCAN (бит SCAN в регистре CR1)
Практика: включаем АЦП
Самый простой случай использования АЦП: без прерываний, без всяких сложных режимов - просто берём и измеряем в цикле.
Инициализация
- Включаем тактирование модуля АЦП
- Настраиваем параметры модуля
- Включаем модуль АЦП
- Настраиваем вход (номер канала АЦП)
- Проводим калибровку
Я исхожу из того, что ножки кристалла не настроены, то есть находятся в дефолтном состоянии «аналоговый вход». Именно этот режим нам и нужен.
Только некоторые ноги STM32 могут работать в качестве входа АЦП, они обозначены символом ANx (x = 0..15, эта цифра - номер канала). Это удобно прикидывать в программе STM32Cube.
Void adc_init() { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); // настройки ADC ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_StructInit(&ADC_InitStructure); ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // режим работы - одиночный, независимый ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // не сканировать каналы, просто измерить один канал ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // однократное измерение ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // без внешнего триггера ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //выравнивание битов результат - прижать вправо ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //количество каналов - одна штука ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // настройка канала ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_8, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); // калибровка АЦП ADC_ResetCalibration(ADC1); while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); }
После выполнения этой функции АЦП1 настроен, откалиброван и готов к измерениям на восьмом канале.
Измерение
Измерение производится просто:
- Запускаем преобразование
- Ожидаем окончания оцифровки (проверяем флаг EOC = End Of Conversion)
- Читаем результат из регистра DR
Самое простое использование этих функций:
Void main() { adc_init(); uint16_t value = 0; while(1) value = get_adc_value(); }
Можно просто запустить программу, остановить её брейкпойнтом и прочитать в отладчике измеренное значение.
Post Views: 309
Нужно сначала разобраться с компонентами, которые использовались нами для создания прошивки. А использовался нами только один компонент - PWM8. PWM расшифровывается как Pulse Width Modulator, что значит Широтно-импульсный модулятор. Суть прибора в том, что он позволяет изменять широту импульсов, генерируемых микроконтроллером. Тем самым, меняя выходное напряжения для устройств, не чувствительных к частоте.
Например: рабочая частота микроконтроллера 1Гц (то есть, период генерации импульсов 1с), ширина импульса 0.5с, напряжение импульса 5В.
Тогда среднее выходное напряжение за секунду равно 2.5 вольта. А получается эта величина просто: сложением подимпульсных площадей и делением их на общий промежуток времени. На всякий случай распишу подробней. Допустим, мы взяли промежуток времени в 1 секунду, из рисунка видно первый импульс длился 0.5. Умножаем 0.5с*5В (напряжение импульса) и все это делим на интервал времени. 0.5с*5В/1с = 2.5В. Если нам понадобится выходное напряжение в 3.33В, мы должны будем увеличить подимпульсную площадь до 75%. В литературе ещё часто фигурирует термин скважность. Так вот, скважность и есть отношений длительности импульса к длительности нулевого потенциала, например, для первого случая, она была 50%, для второго - 75%.
Я думаю, что теории уже достаточно и с установкой PWM на схему проблем не случилось. А вот настройки самого компонента стоит рассмотреть подробней. Для этого приведу скриншот с выделенными изменёнными параметрами.
Clock - это рабочая частота ШИМа, любой цифровой или аналогово-цифровой блок должен работать на определённой тактовой частоте. Для этого и придуманы делители частоты и поле Clock. SysClk - это системная частота, выставленная в закладке Global Resources. Интересно заметить то, что в выпадающем списке Clock присутствуют такие поля, как Row_0_Input_0. Это значит, что тактовый генератор модуля может быть снаружи чипа и синхронизироваться они будут через шину Row_0_Input_0.
Enable - уровень логической единицы данного блока. Обычно используются два стандарта: High = 5В и Low = 3В. Сам микроконтроллер, кстати, можно так же перевести на один из режимов High или Low.
CompareOut - выход широтно-импульсного модулятора.
Может возникнуть вопрос: зачем была дана выше приведенная теория, если на практике мы это нигде не использовали? А ответ в том, что мы использовали дефолтные значения для длинны импульса и времени периода (поля Period и PulseWidth) 0 0. При таких значениях на выходе PWM будет сплошной сигнал, равный по величине логической единице. Менять время периода и значения ширины импульса можно так же программно в режиме работы микроконтроллера, функциями PWM8_1_WritePeriod() и PWM8_1_WritePulseWidth().
ADC или АЦП
АЦП - аналого-цифровой преобразователь (или ADC Analog-to-digital converter) - это устройство, позволяющие преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Любые физические величины (давление, скорость, угол поворота, напряжение, ток, сила света) являются аналоговыми, и задача ADC - переводить их в цифровой сигнал. На практике же, для перевода в цифровой сигнал обычно используется величина напряжения.
Из многочисленных характеристик АЦП следует выделить три основных:
- Разрядность - это наименьшая единица аналогового сигнала, изменение которой может зафиксировать ADC, обычно измеряется в битах.
- Частота преобразования - количество измерений в секунду, измеряется в SPS (samples per second)
- Рабочий диапазон - диапазон величин, в котором работает данный преобразователь.
Так как АЦП уже не такой простой прибор, как PWM. Придется разобрать ещё некоторые теоретические аспекты микроконтроллера и некоторые фичи самого АЦП.
Общие характеристики микроконтроллера
Перечень некоторых понятий и обозначений о которых нужно знать при работе c чипами PSoC(кстати и не только всё ниже сказанное будет верно и для микроконтроллеров AVR)
В описаниях и на принципиальных схемах в даташитах часто фигурируют такие обозначения как Vcc, Vdd, Vss, AGND. И разница между ними порой не самая очевидная. Vcc - это напряжение питания микроконтроллера (сс - collector-to-collector), то же самое что и Vdd, так уж исторически сложилось что одна и та же величина имеет 2 обозначения. Vss - минимальный потенциал на микроконтроллере, очень часто бывает, что эта величина эквивалентна AGND. Буква "A" в аббревиатуре AGND указывает на что, это artificial граунд или искусственная земля. Стоит упомянуть про такое напряжение на схеме, которое обычно называется как BandGap. BandGrap - это опорное напряжения. Опорное напряжение означает то что оно остаётся постоянным не зависимо от напряжения питания МК, температуры и других внешних показателей. Vref - опорное напряжения отдельно рассматриваемого модуля. Очень долго я не мог врубиться, что такое Rail-to-Rail. А попадалась мне эта фраза в контекстах типа: "Данный модуль может работать в режиме Rail-to-Rail". Так вот Rail-to-Rail означает то, что элемент может работать на всем размахе напряжений от Vcc до AGND.
Пример 2. Voltage Measuring
Задача: Измерить напряжение на потенциометре, зашитом в отладочную плату и вывести значение на экран.
Вот тут уже будет по интересней. Как обычно запускаем дизайнер, создаем проект. Идем в User Modules -> Misc Data -> LCD и левой кнопкой перетягиваем его на микроконтроллер. LCD очень полезный и простой модуль, да к тому же ещё и не занимающий место на цифровых блока. Увидеть его можно в закладке Workspace Explorer. Из настоек ему нужно выбрать только LCDPort = Port_2. Теперь заходим в файл main.c, напомню, что он лежит в Workspace Explorer -> [Имя проекта] -> Source Files -> main.c. И добавляем в функцию main() следующий код.
LCD_Start(); LCD_Position(0,0); LCD_PrCString("Measured Voltage");
Компилируем код, прошиваем микроконтроллер. Если всё было правильно сделано, получим на экране строку которая была прописана выше. Более простого управления экраном, и придумать не могли. И это радует. Теперь дело осталось за ADC. Выбираем User Modules -> Legacy -> ADCINC12 и выкидываем его на контроллер. Может возникнуть вопрос "Почему мы не выбрали просто ADCINC, а ADCINC12 да и ещё в придачу из папки Legacy? Причина кроется в сложности инициализации модулей. ADCINC более сложный и гибкий модуль, который требует более тщательной и доскональной настройки. В папке Legacy, что значит унаследованные, уже храниться модуль который менее гибкий, зато более простой в реализации. Далее не думая заходим в папку, amplifers и выкидываем на схему PGA(Programmable Gain Amplifier). Программируемый операционный усилитель. Он нужен не столько для усиления, сколько для повышения входного сопротивления. Что бы величина текущего тока в цепи не влияла на точность измерения.
Выставляем настройки PWM как на скриншоте.
- Gain - коэффициент усиления.
- Input - вход прибора.
- Reference - опорное напряжение.
Настройки ADC выставляем так:
- TMR Clock - тактовая частота таймера.
- Input - вход прибора (подключен к PGA).
- CNT Clock - частота счетчика.
Последнее, что понадобиться нам для нормальной работы, это глобальный ресурс называемый Ref Mux. Ref Mux - это рабочий диапазон напряжений аналоговых блоков. Если мы выставим значение (Vdd/2)+/-(Vdd/2) то получим полную разбежку напряжений от 0 до 5В. Но в этом есть один определённый минус. Так как за опорное напряжение принимается напряжение питания. Если будет плавать напряжение Vdd, это повлияет на правдивость результатов. В таком случае нам и пригодился бы BandGap. Но пока не будем париться, и выставляем (Vdd/2)+/-(Vdd/2).
Для перепроверки скину скрин получившейся коммутации аналоговых блоков.
Переходим в main.c и добавляем в функцию main() следующий код:
PGA_Start(PGA_HIGHPOWER); //запуск PGA ADCINC12_Start(ADCINC12_HIGHPOWER); //запуск АЦП ADCINC12_GetSamples(0); //установка АЦП на песперерывную работу M8C_EnableGInt ; // Uncomment this line to enable Global Interrupts while(1) // главный цикл прошивки { if (ADCINC12_fIsDataAvailable() != 0) //проверка на данных в ADC { result = ADCINC12_iGetData() + 2048; ADCINC12_ClearFlag(); LCD_Position(1,0); //установка позиции для вывода LCD_PrHexInt(result); //вывод результата в хексе } }
К данным функции iGetData() прибавляется 2048 для того что перевести данные в беззнаковый эквиваленте (если интересно смотреть google "c++ знаковые и беззнаковые переменные").
Соединяем потенциометр с платой следующим образом.
Прошиваем микроконтроллер и оцениваем результат работы.
Осталось только перевести хексы в напряжение и проверить корректность данных тестером. Добиваться этой цели будем чисто опытным путём. Облегчим себе ситуацию, и примем нулевой потенциал за 0x0000 значение на выходе ADC. Затем запускаем нашу уже написанную программу, выкручиваем потенциометр на максимум и смотрим получившиеся значения. У меня, например, получилось 0х0FEC. Затем берём тестер и измеряем реальное напряжение на потенциометре. У меня получилось 4.78В. Теперь делим 4.78/0х0FEC (у кого проблемы с системами исчисления, советую подкачаться) и получаем шаг квантования, то есть единицу напряжения, которой соответствует одно значение выхода АЦП. У меня получилась 0.0011727183513248 вот такое вот число. Теперь просто результат с АЦП перемножаем на эту величину и выводим на экран. Для этого добавим переменные в глобальное поле видимости (это всё то что вне функции main()).
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. АЦП входит во многие современные модели МК AVR , он многоканальный. Обычно число каналов равно 8, но в разных моделях оно может варьировать от 4 каналов в младших моделях семейства Tiny, 6 в ATmega8, до 16 каналов в ATmega2560.
Многоканальность означает, что на входе единственного модуля АЦП установлен аналоговый мультиплексор, который может подключать этот вход к различным выводам МК для осуществления измерений нескольких независимых аналоговых величин с разнесением по времени. Входы мультиплексора могут работать по отдельности (в несимметричном режиме для измерения напряжения относительно "земли") или (в некоторых моделях) объединяться в пары для измерения дифференциальных сигналов. Иногда АЦП дополнительно снабжается усилителем напряжения с фиксированными значениями коэффициента усиления 10 и 200.
Сам АЦП представляет собой преобразователь последовательного приближения с устройством выборки-хранения и фиксированным числом тактов преобразования, равным 13 (или 14 для дифференциального входа; первое преобразование после включения потребует 25 тактов для инициализации АЦП ). Тактовая частота формируется аналогично тому, как это делается для таймеров- с помощью специального предделителя тактовой частоты МК, который может иметь коэффициенты деления от 1 до 128. Но в отличие от таймеров, выбор тактовой частоты АЦП не совсем произволен, т. к. быстродействие аналоговых компонентов ограничено. Поэтому коэффициент деления следует выбирать таким, чтобы при заданном "кварце" тактовая частота АЦП укладывалась в рекомендованный диапазон 50-200 кГц (т. е. максимум около 15 тыс. измерений в секунду). Увеличение частоты выборки допустимо, если не требуется достижение наивысшей точности преобразования.
Разрешающая способность АЦП в МК AVR - 10 двоичных разрядов, чего для большинства типовых применений достаточно. Абсолютная погрешность преобразования зависит от ряда факторов и в идеальном случае не превышает ±2 младших разрядов, что соответствует общей точности измерения примерно 8 двоичных разрядов. Для достижения этого результата необходимо принимать специальные меры: не только "вгонять" тактовую частоту в рекомендованный диапазон, но и снижать по максимуму интенсивность цифровых шумов. Для этого рекомендуется, как минимум, не использовать оставшиеся выводы того же порта, к которому подключен АЦП, для обработки цифровых сигналов, правильно разводить платы, а как максимум - дополнительно к тому еще и включать специальный режим ADC Noise Reduction .
Регистры управления АЦП
ADCSR
Режим непрерывных измерений активизируется установкой бита ADFR (бит 5) этого же регистра. В ряде моделей Mega этот бит носит наименование ADATE , и управление режимом работы производится сложнее: там добавляются несколько режимов запуска через различные прерывания (в т. ч. прерывание от компаратора, при наступлении различных событий от таймера и т. п.), и выбирать их следует, задавая биты ADTS регистра SFIOR , а установка бита ADATE разрешает запуск АЦП по этим событиям.
| Разряд | Название | Описание |
| 5 | ADFR(ADATE) | Выбор режима работы АЦП |
Так как нулевые значения всех битов ADTS (по умолчанию) означают режим непрерывного преобразования, то в случае, когда вы их значения не трогали, функции битов ADATE и ADFR в других моделях будут совпадать.
| ADTS2 | ADTS1 | ADTS0 | Источник стартового сигнала |
| 0 | 0 | 0 | Режим непрерывного преобразования |
| 0 | 0 | 1 | Прерывание от аналогового компаратора |
| 0 | 1 | 0 | Внешнее прерывание INT0 |
| 0 | 1 | 1 | Прерывание по событию "Совпадение" таймера/счетчика Т0 |
| 1 | 0 | 0 | Прерывание по переполнению таймера/счетчика Т0 |
| 1 | 0 | 1 | Прерывание по событию "Совпадение" таймера/счетчика Т1 |
| 1 | 1 | 0 | Прерывание по переполнению таймера/счетчика Т1 |
| 1 | 1 | 1 | Прерывание по событию "Захват" таймера/счетчика Т1 |
Если выбран режим запуска не от внешнего источника, то преобразование запускается установкой бита ADSС (бит 6). При непрерывном режиме установка этого бита запустит первое преобразование, затем они будут автоматически повторяться. В режиме однократного преобразования, а также независимо от установленного режима при запуске через прерывания (в тех моделях, где это возможно) установка бита ADSС просто запускает одно преобразование. При наступлении прерывания, запускающего преобразование, бит ADSС устанавливается аппаратно. Отметим, что преобразование начинается по-фронту первого тактового импульса (тактового сигнала АЦП, а не самого контроллера!) после установки ADSС . По окончании любого преобразования (и в одиночном, и в непрерывном режиме) устанавливается бит ADIF (бит 4. флаг прерывания). Разрешение прерывания АЦП осуществляется установкой бита ADIE (бит 3) все того же регистра ADCSR/ADCSRA .
Для работы с АЦП необходимо еще установить его тактовую частоту. Это делается тремя младшими битами регистра ADCSR/ADCSRA под названием ADPS0..2. Коэффициент деления частоты тактового генератора МК устанавливается по степеням двойки, все нули в этих трех битах соответствуют коэффициенту 2, все единицы - 128. Оптимальная частота преобразования лежит в диапазоне 50-200 кГц, так что, например, для тактовой частоты МК, равной 4 МГц, коэффициент может иметь значение только 32 (состояние битов ADPS0..2 = 101, частота 125 кГц) или 64 (состояние битов ADPS0..2 = 110, частота 62,5 кГц). При тактовой частоте 16 МГц в допустимый диапазон укладывается только коэффициент 128.
| ADPS2 | ADPS1 | ADPS0 | Коэффициент деления |
| 0 | 0 | 0 | 2 |
| 0 | 0 | 1 | 2 |
| 0 | 1 | 0 | 4 |
| 0 | 1 | 1 | 8 |
| 1 | 0 | 0 | 16 |
| 1 | 0 | 1 | 32 |
| 1 | 1 | 0 | 64 |
| 1 | 1 | 1 | 128 |
Ниже приведена таблица с описанием регистра ADMUX.
Выборка источника опорного напряжения производится битами REFS1..0 регистра ADMUX (старшие биты 7 и 6), причем их нулевое значение (по умолчанию) соответствует внешнему источнику. Напряжение этого внешнего источника может лежать в пределах от 2 В до напряжения питания аналоговой части AVcc (а оно, в свою очередь, не должно отличаться от питания цифровой части более чем на 0,3 В в большую или меньшую сторону). Можно выбрать в качестве опорного и питание самой аналоговой части, причем двояким способом: либо просто соединить выводы AREF и AVcc микросхемы, либо установить биты REFS1..0 в состояние 01 (тогда соединение осуществляется внутренними схемами, но заметим, что внешний опорный источник при этом должен быть отключен). Предусмотрен и встроенный источник (задается REFS1..0 в состоянии 11, при этом к выводу AREF рекомендуется подключать фильтрующий конденсатор), имеющий номинальное напряжение 2,56В с большим разбросом от 2,4 до 2,7 В.
| REFS1 | REFS0 | Источник опорного напряжения |
| 0 | 0 | Внешний ИОН, подключенный к выводу AREF, внутренний ИОН отключен |
| 0 | 1 | Напряжение питания AVcc* |
| 1 | 0 | Зарезервировано |
| 1 | 1 | Внутренний ИОН напряжением 2,56V, подключенный к ввыводу AREF* |
| *Если к выводу AREF подключен источник напряжения, данные варианты использоваться не могут | ||
Результат преобразования АЦП оказывается в регистрах ADCH:ADCL . Поскольку результат 10-разрядный, то по умолчанию старшие 6 битов в регистре ADCH оказываются равными нулю. Чтение этих регистров производится, начиная с младшего ADCL , после чего регистр ADCH блокируется, пока не будет прочитан. Следовательно, даже если момент между чтением регистров попал на фронт 14 (15) такта АЦП, когда данные в них должны меняться, значения прочитанной пары будут соответствовать друг другу, пусть и результат этого преобразования пропадет. В противоположном порядке читать эти регистры не рекомендуется. Но бит ADLAR (бит 5 регистра ADMUX ) предоставляет интересную возможность: если его установить в 1, то результат преобразования в регистрах ADCH:ADCL выравнивается влево: бит 9 результата окажется в старшем бите ADCH , а незначащими будут младшие 6 битов регистра ADCL . В этом случае, если хватает 8-разрядного разрешения результата, можно прочесть только значение ADCH .
| class="eliadunit"> |
Выбор каналов и режимов их взаимодействия в АЦП производится битами MUX0..3 в регистре ADMUX . Их значения выбирают нужный канал в обычном (недифференциальном) режиме, когда измеряемое напряжение отсчитывается от "земли". Последние два значения этих битов для семейства Mega (11110 и 11111 в большинстве моделей или 1110 и 1111 для ATmega8) выбирают режимы, когда вход АЦП подсоединяется к опорному источнику компаратора (1,22 В) или к "земле" соответственно, что может использоваться для автокалибровки устройства.
Управление входным мультиплексором в моделях Atmega8x
| MUX3-MUX0 | Несимметричный вход |
| 0000 | ADC0 |
| 0001 | ADC1 |
| 0010 | ADC2 |
| 0011 | ADC3 |
| 0100 | ADC4* |
| 0101 | ADC5* |
| 0110 | ADC6** |
| 0111 | ADC7** |
| 1000-1101 | Зарезервировано |
| 1110 | 1,22V |
| 1111 | 0V(GND) |
|
*8-ми разрядное преобразование **Имеются только в корпусах TQFP-32 и MLF-32. |
|
Остальные комбинации разрядов MUX предназначены для установки различных дифференциальных режимов - в тех моделях, где они присутствуют, в других случаях эти биты зарезервированы (как в моделях Atmega8, ATmega163 и др.). В дифференциальном режиме АЦП измеряет напряжение между двумя выбранными выводами (например, между ADC0 и ADC1 ), причем не все выводы могут быть в таком режиме задействованы. В том числе дифференциальные входы АЦП можно подключать к одному и тому же входу для коррекции нуля. Дело в том, что в ряде моделей на входе АЦП имеется встроенный усилитель, с коэффициентом 1х, 10х и 200х (коэффициент выбирается теми же битами MUX0..4 ), и такой режим используется для его калибровки - в дальнейшем значение выхода при соединенных входах можно просто вычесть.
После завершения преобразования (при установке в «1» флага ADIF регистра ADCSR ) его результат сохраняется в регистре данных АЦП . Поскольку АЦП имеет 10 разрядов, этот регистр физически размещен в двух регистрах ввода/вывода ADCH:ADCL , доступных только для чтения. По умолчанию результат преобразования выравнивается вправо (старшие 6 разрядов регистра ADCH - незначащие). Однако он может выравниваться и влево (младшие 6 разрядов регистра ADCL - незначащие). Для управления выравниванием результата преобразования служит разряд ADLAR регистра ADMUX . Если этот разряд установлен в «1», результат преобразования выравнивается по левой границе 16-разрядного слова, если сброшен в «0» - по правой границе.
Обращение к регистрам ADCH и ADCL для получения результата преобразования должно выполняться в определенной последовательности: сначала необходимо прочитать регистр ADCL , а затем ADCH . Это требование связано с тем, что после обращения к регистру ADCL процессор блокирует доступ к регистрам данных со стороны АЦП до тех пор, пока не будет прочитан регистр ADCH. Благодаря этому можно быть уверенным, что при чтении регистров в них будут находиться составляющие одного и того же результата. Соответственно, если очередное преобразование завершится до обращения к регистру ADCH , результат преобразования будет потерян. С другой стороны, если результат преобразования выравнивается влево и достаточно точности 8-разрядного значения, для получения результата можно прочитать только содержимое регистра ADCH .
Для недифференциального режима АЦП, когда напряжение отсчитывается от "земли", результат преобразования определяется формулой:
Ка = 1024Uвх/Uref
Где Ка - значение выходного кода АЦП, Uвх и Uref - входное и опорное напряжения.
Дифференциальному измерению соответствует такая формула:
Ка = 512(Upos - Uneg)/Uref
Где Upos и Uneg - напряжения на положительном и отрицательном входах соответственно. Если напряжение на отрицательном входе больше, чем на положительном, то результат в дифференциальном режиме становится отрицательным и выражается в дополнительном коде от $200 (-512) до $3FF (-1). Реальная точность преобразования в дифференциальном режиме равна 8 разрядам.
Делаем светодиодный индикатор напряжения
Для практического изучения АЦП напишем программу светодиодного индикатора напряжения. Как и в прошлых примерах будем использовать микроконтроллер Atmega8. Восемь индикаторов подключаем к порту D контроллера, это будет линейная шкала уровня сигнала от 0 до 5V. Входом АЦП у нас будет вывод PC0(ADC0), к которому через переменный резистор сопротивлением 10кОм подается напряжение. Схема устройства представлена ниже:
К точности АЦП в этом устройстве предъявляются наименьшие требования. Источником опорного напряжения служит напряжение питания микроконтроллера - 5 Вольт, для этого вывод AREF соединяем с выводом Vcc микроконтроллера, также поступаем с выводами питания аналоговой части AVcc и AGND , подключаем их к плюсу и минусу соответственно, в программе битами REFS1 и REFS0 задаем источник ИОН .
Режим индикации работает следующим образом: после окончания преобразования, которое работает в непрерывном режиме, считываем биты ADCH и ADCL . Это значение потом сравниваем с предварительно расчитанными константами. Если значение ADC больше константы загорается один светодиод, если значение ADC больше второй константы загораются уже два светодиода и т.д.
Константы высчитываются так: так как АЦП 10-ти битный, число 1024 раскладываем на 8 равных частей, а по формуле уже вычисляем эти значения в Вольтах.
1020...5V(приблизительно)
Полный код программы показан ниже. Частота тактового генератора контроллера 8MHz.
/*** Использование АЦП. Светодиодная шкала ***/
#include
В следующем примере мы разберем принципы создания вольтметра 0-30V на микроконтроллере Atmega8.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.
АЦП входит во многие современные модели МК AVR, он многоканальный. Обычно число каналов равно 8, но в разных моделях оно может варьировать от 4 каналов в младших моделях семейства Tiny, 6 в ATmega8, до 16 каналов в ATmega2560. Многоканальность означает, что на входе единственного модуля АЦП установлен аналоговый мультиплексор, который может подключать этот вход к различным выводам МК для осуществления измерений нескольких независимых аналоговых величин с разнесением по времени. Входы мультиплексора могут работать по отдельности (в несимметричном режиме для измерения напряжения относительно "земли") или (в некоторых моделях) объединяться в пары для измерения дифференциальных сигналов. Иногда АЦП дополнительно снабжается усилителем напряжения с фиксированными значениями коэффициента усиления 10 и 200.
Сам АЦП представляет собой преобразователь последовательного приближения с устройством выборки-хранения и фиксированным числом тактов преобразования, равным 13 (или 14 для дифференциального входа; первое преобразование после включения потребует 25 тактов для инициализации АЦП). Тактовая частота формируется аналогично тому, как это делается для таймеров- с помощью специального предделителя тактовой частоты МК, который может иметь коэффициенты деления от 1 до 128. Но в отличие от таймеров, выбор тактовой частоты АЦП не совсем произволен, т. к. быстродействие аналоговых компонентов ограничено. Поэтому коэффициент деления следует выбирать таким, чтобы при заданном "кварце" тактовая частота АЦП укладывалась в рекомендованный диапазон 50-200 кГц (т. е. максимум около 15 тыс. измерений в секунду). Увеличение частоты выборки допустимо, если не требуется достижение наивысшей точности преобразования.
Разрешающая способность АЦП в МК AVR - 10 двоичных разрядов, чего для большинства типовых применений достаточно. Абсолютная погрешность преобразования зависит от ряда факторов и в идеальном случае не превышает ±2 младших разрядов, что соответствует общей точности измерения примерно 8 двоичных разрядов. Для достижения этого результата необходимо принимать специальные меры: не только "вгонять" тактовую частоту в рекомендованный диапазон, но и снижать по максимуму интенсивность цифровых шумов. Для этого рекомендуется, как минимум, не использовать оставшиеся выводы того же порта, к которому подключен АЦП, для обработки цифровых сигналов, правильно разводить платы, а как максимум - дополнительно к тому еще и включать специальный режим ADC Noise Reduction.
Отметим также, что АЦП может работать в двух режимах: одиночного и непрерывного преобразования. Второй режим целесообразен лишь при максимальной частоте выборок. В остальных случаях его следует избегать, т. к. обойти в этом случае необходимость параллельной обработки цифровых сигналов, как правило, невозможно, а это означает снижение точности преобразования.
Регистры управления АЦП
Для разрешения работы АЦП необходимо записать лог. 1 в разряд ADEN регистра ADCSR, а для выключения - лог. 0. Если АЦП будет выключено во время цикла преобразования, то преобразование завершено не будет (в регистре данных АЦП останется результат предыдущего преобразования).
Режим непрерывных измерений активизируется установкой бита ADFR (бит 5) этого же регистра. В ряде моделей Mega этот бит носит наименование ADATE, и управление режимом работы производится сложнее: там добавляются несколько режимов запуска через различные прерывания (в т. ч. прерывание от компаратора, при наступлении различных событий от таймера и т. п.), и выбирать их следует, задавая биты ADTS регистра SFIOR, а установка бита ADATE разрешает запуск АЦП по этим событиям. Так как нулевые значения всех битов ADTS (по умолчанию) означают режим непрерывного преобразования, то в случае, когда вы их значения не трогали, функции битов ADATE и ADFR в других моделях будут совпадать.
Если выбран режим запуска не от внешнего источника, то преобразование запускается установкой бита ADTS (бит 6 того же регистра ADCSR/ADCSRA). При непрерывном режиме установка этого бита запустит первое преобразование, затем они будут автоматически повторяться. В режиме однократного преобразования, а также независимо от установленного режима при запуске через прерывания (в тех моделях, где это возможно) установка бита ADCS просто запускает одно преобразование. При наступлении прерывания, запускающего преобразование, бит ADCS устанавливается аппаратно. Отметим, что преобразование начинается по-фронту первого тактового импульса (тактового сигнала АЦП, а не самого контроллера!) после установки ADCS. По окончании любого преобразования (и в одиночном, и в непрерывном режиме) устанавливается бит ADIF (бит 4. флаг прерывания). Разрешение прерывания АЦП осуществляется установкой бита ADIE (бит 3) все того же регистра ADCSR/ADCSRA.
Для работы с АЦП необходимо еще установить его тактовую частоту. Это делается тремя младшими битами регистра ADCSR/ADCSRA под названием ADPS0..2. Коэффициент деления частоты тактового генератора МК устанавливается по степеням двойки, все нули в этих трех битах соответствуют коэффициенту 2, все единицы - 128. Оптимальная частота преобразования лежит в диапазоне 50-200 кГц, так что, например, для тактовой частоты МК, равной 4 МГц, коэффициент может иметь значение только 32 (состояние битов ADPS0..2 = 101, частота 125 кГц) или 64 (состояние битов ADPS0..2 = 110, частота 62,5 кГц). При тактовой частоте 16 МГц в допустимый диапазон укладывается только коэффициент 128.
Выборка источника опорного напряжения производится битами REFS1..0 регистра ADMUX (старшие биты 7 и 6), причем их нулевое значение (по умолчанию) соответствует внешнему источнику. Напряжение этого внешнего источника может лежать в пределах от 2 В до напряжения питания аналоговой части AVcc (а оно, в свою очередь, не должно отличаться от питания цифровой части более чем на 0,3 В в большую или меньшую сторону). Можно выбрать в качестве опорного и питание самой аналоговой части, причем двояким способом: либо просто соединить выводы AREF и AVcc микросхемы, либо установить биты REFS1..0 в состояние 01 (тогда соединение осуществляется внутренними схемами, но заметим, что внешний опорный источник при этом должен быть отключен). Предусмотрен и встроенный источник (задается REFS1..0 в состоянии 11, при этом к выводу AREF рекомендуется подключать фильтрующий конденсатор), имеющий номинальное напряжение 2,56В с большим разбросом от 2,4 до 2,7 В.
*****REFS*******
Результат преобразования АЦП оказывается в регистрах ADCH:ADCL. Поскольку результат 10-разрядный, то по умолчанию старшие 6 битов в регистре ADCH оказываются равными нулю. Чтение этих регистров производится, начиная с младшего ADCL, после чего регистр ADCH блокируется, пока не будет прочитан. Следовательно, даже если момент между чтением регистров попал на фронт 14 (15) такта АЦП, когда данные в них должны меняться, значения прочитанной пары будут соответствовать друг другу, пусть и результат этого преобразования пропадет. В противоположном порядке читать эти регистры не рекомендуется. Но бит ADLAR (бит 5 регистра ADMUX) предоставляет интересную возможность: если его установить в 1, то результат преобразования в регистрах ADCH:ADCL выравнивается влево: бит 9 результата окажется в старшем бите ADCH, а незначащими будут младшие 6 битов регистра ADCL. В этом случае, если хватает 8-разрядного разрешения результата, можно прочесть только значение ADCH.
Выбор каналов и режимов их взаимодействия в АЦП производится битами MUX0..3 в регистре ADMUX. Их значения выбирают нужный канал в обычном (недифференциальном) режиме, когда измеряемое напряжение отсчитывается от "земли". Последние два значения этих битов для семейства Mega (11110 и 11111 в большинстве моделей или 1110 и 1111 для ATmega8) выбирают режимы, когда вход АЦП подсоединяется к опорному источнику компаратора (1,22 В) или к "земле" соответственно, что может использоваться для автокалибровки устройства.
Остальные комбинации разрядов MUX предназначены для установки различных дифференциальных режимов - в тех моделях, где они присутствуют, в других случаях эти биты зарезервированы (как в моделях Atmega8, ATmegal63 и др.). В дифференциальном режиме АЦП измеряет напряжение между двумя выбранными выводами (например, между ADC0 и ADC1), причем не все выводы могут быть в таком режиме задействованы. В том числе дифференциальные входы АЦП можно подключать к одному и тому же входу для коррекции нуля. Дело в том, что в ряде моделей на входе АЦП имеется встроенный усилитель, с коэффициентом 1х, 10х и 200х (коэффициент выбирается теми же битами MUX0..4), и такой режим используется для его калибровки - в дальнейшем значение выхода при соединенных входах можно просто вычесть.
Для недифференциального режима АЦП, когда напряжение отсчитывается от "земли", результат преобразования определяется формулой: Ка = 1024Uвх/Uref, где Ка - значение выходного кода АЦП, Uвх и Uref - входное и опорное напряжения. Дифференциальному измерению соответствует такая формула: Ка = 512(Upos - Uneg)/Uref, где Upos и Uneg - напряжения на положительном и отрицательном входах соответственно. Если напряжение на отрицательном входе больше, чем на положительном, то результат в дифференциальном режиме становится отрицательным и выражается в дополнительном коде от $200 (-512) до $3FF (-1). Реальная точность преобразования в дифференциальном режиме равна 8 разрядам.
Пришло время разобраться, что из себя представляет модуль АЦП в микроконтроллерах STM32. Давайте по привычной схеме, сначала теория, под конец небольшая программка для работы с аналого-цифровым преобразователем.
Начнем-с…Вот некоторые характеристики аналого-цифрового преобразователя в STM32f10x:
- АЦП является 12-ти битным
- Возможна генерация прерывания по окончанию преобразования, по окончанию преобразования с инжектированного канала, а также возможно прерывание от Analog Watchdog (что это такое расскажу чуть ниже)
- Возможно одиночное преобразование и преобразование в непрерывном режиме
- Самокалибровка
- Запуск преобразования от внешнего события
- Работа с ПДП (DMA, прямой доступ к памяти)
Вот структурная схема из даташита, полюбуйтесь)
Пока не забыл про Analog Watchdog, опишу его работу.
Он нужен для того, чтобы следить, что напряжение попадает в определенные пределы. Причем он может сканировать как конкретный канал, так и группу каналов. В регистры ADC_HTR и ADC_LTR заносим значения верхнего и нижнего порога соответственно. И в случае, если проверяемое напряжение выходит за эти пределы, генерируется прерывание. Полезнейшая вещица!
Каналы АЦП делятся на регулярные и инжектированные. Причем, если запустить измерение инжектированных каналов, то измерение регулярных будет приостановлено. В некоторых ситуациях тоже крайне полезная фича.
Как и в микроконтроллерах AVR возможно выравнивание результата по правому или по левому краю. Тут правда результат 12-ти битный. Но суть та же. Вот как все это выглядит в регистрах:
Видим, как меняются данные в регистре данных. Программа работает правильно, так что можем переходить к дальнейшему изучению STM32. Продолжение следует…
Отличительные особенности:
- Малое время преобразования: 1.4 мкс, макс
- Встроенная функция выборки/фиксации
- Нет потери кода
- Не требует регулировки пользователем
- Однополярное питание +5 В
- Не требует внешнего тактового сигнала
- Простое согласование с микропроцессорами
Области применения:
- Цифровая обработка сигналов
- Быстродействующие системы сбора данных
- Телекоммуникации
- Быстродействующие цепи серво - управления
- Аудио системы
Функциональная схема:
Расположение выводов:
Описание:
ИС ADC0820 является быстродействующим, совместимым с микропроцессорами, 8-ми разрядным аналого- цифровым преобразователем (АЦП), использующим «half- flash» - технологию для получения времени преобразования 1.4 мкс. Конвертор имеет диапазон входных аналоговых сигналов от 0 В до +5 В и однополярное питание +5 В.
Встроенная система выборки/фиксации со скоростью нарастания выходного напряжения до 100 мВ/мкс исключает необходимость использования внешней системы выборки /фиксации.
Данный АЦП легко согласуется с микропроцессорами, благодаря возможности обращения к нему, как к ячейке памяти, или к порту I/O, без необходимости использования внешней согласующей логики. Выходы данных имеют буферные каскады с тремя логическими состояниями и фиксацией уровней, что позволяет подключать ИС, непосредственно к шине данных микропроцессора, или к системному порту I/O данных. Выходной сигнал переполнения АЦП обеспечивает возможность каскадирования ИС для достижения более высокого уровня разрешения.
ИС ADC0820 производства Maxim является, совместимой по выводам, с ИС ADC0820 производства National Semiconductor и имеет более высокие эксплуатационные характеристики. ИС выпускается в корпусах типов: 20-pin SO, DIP, CERDIP.