09 ADC 电压采集实验

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本系列教程目录：

ADC 电压采集实验

本章目标：

了解 ADC 基本概念和 RA6M5 处理器的 ADC 模块；
学会使用 RASC 配置 ADC 采样引脚的模拟信号；

硬件设计

本实验使用开发板的 ADC 模块，通过 ADC 通道采样外部电压信号，并由串口输出采集数据。

软件设计

新建工程

复制一份“07 SCI-UART_Recv_send”修改文件夹名“09 ADC”，双击打开 EBF_RA6M5.uvprojx 工程，通过 Keil 的新建文件新建 adc.c 和 adc.h，保存到目录下的 \src 文件夹下。

FSP 配置

Keil 界面选择“Tools”→“RA Smart Configurator”打开 RASC 界面。

首先配置 ADC 通道，依次点击“Stacks”→“Pins”→“Peripherals”→“ADC0”来配置通道 AN000 对应的引脚为 P000。

插图01

下一步点击“Stacks”→“New Stack”→“Analog”→“ADC (r_adc)”来添加 ADC 模块。

插图02

下一步配置 ADC 通道 0 的属性。

插图03

在“Input”→“Channel Scan Mask”选择通道 0。

插图04

ADC属性	描述
General > Name	模块实例名
General > Unit	指定要使用的 ADC 单元
General > Resolution	指定转换分辨率
General > Alignment	指定转换结果对齐方式
General > Clear after read	读取转换结果后自动清除
General > Mode	模式 Single Scan：单次扫描 Continuous Scan：连续扫描 Group Scan：组扫描
General > Double-trigger	双触发
Input > Channel Scan Mask (channel availability varies by MCU)	该通道位掩码用于使能 ADC 通道；若是在组模式下，则是用于指定哪些通道归属于扫描组 A。这里要勾选 “Channel 0”，图上由于篇幅关系没有标出来
Interrupts > Normal/Group A Trigger	正常模式下的或组模式下组 A 的触发类型。这里按照默认，选择软件触发
Interrupts > Callback	中断回调函数。设置为 `adc_callback`
Interrupts > Scan End Interrupt Priority	扫描完成中断优先级
Extra > ADC Ring Buffer	ADC 环形缓冲区

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

引脚配置信息

引脚配置还是在 pin_data.c 文件里生成。

const ioport_pin_cfg_t g_bsp_pin_cfg_data[] = {
    {
        .pin = BSP_IO_PORT_00_PIN_00,
        .pin_cfg = ((uint32_t) IOPORT_CFG_ANALOG_ENABLE)
    },
}

将 P000 复用为 IOPORT_CFG_ANALOG_ENABLE，也就是使能了 P000 的模拟量输入功能。

ADC配置信息

ADC 设备对象会在 hal_data.c 中生成，名为 g_adc，

const adc_instance_t g_adc0 =
{
    .p_ctrl    = &g_adc0_ctrl,
    .p_cfg     = &g_adc0_cfg,
    .p_channel_cfg = &g_adc0_channel_cfg,
    .p_api     = &g_adc_on_adc
};

p_ctrl：它被用来保存 ADC 的信息，比如状态、寄存器、回调函数等。

p_cfg：指向 ADC 模块的配置信息结构体 g_adc0_cfg。

const adc_cfg_t g_adc0_cfg =
{
    .unit                = 0,
    .mode                = ADC_MODE_SINGLE_SCAN,
    .resolution          = ADC_RESOLUTION_12_BIT,
    .alignment           = (adc_alignment_t) ADC_ALIGNMENT_RIGHT,
    .trigger             = (adc_trigger_t)0xF, // Not used
    .p_callback          = adc_callback,
}

p_channel_cfg：指向某个通道的配置值，也是来自 RASC 的配置。

const adc_channel_cfg_t g_adc0_channel_cfg =
{
    .scan_mask           = ADC_MASK_CHANNEL_0 |  0,
    .scan_mask_group_b   =  0,
    .priority_group_a    = ADC_GROUP_A_PRIORITY_OFF,
    .add_mask            =  0,
    .sample_hold_mask    =  0,
    .sample_hold_states  = 24,
#if ((0) | (0))
    .p_window_cfg        = (adc_window_cfg_t *) &g_adc0_window_cfg,
#else
    .p_window_cfg        = NULL,
#endif
};

p_api：ADC 模块的接口，指向在 r_adc.c 中实现的 g_adc_on_adc 结构体。用户可以使用 g_adc.p_api 中的函数指针来操作 ADC。

程序设计

实现 ADC 读取通道的电压值，ADC 通道 0 连接 P000 引脚，在 P000 用杜邦线接 3.3V，开启转换，读取 ADC 值，换算成电压值，通过串口 printf 发送格式化数据字符串，在串口助手观察数据。

打开 ADC 设备

R_ADC_Open(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_cfg_t const * const p_cfg);

open 函数初始化 ADC，比如根据 p_cfg 来配置 ADC 的寄存器，设置中断回调函数等。但是这个函数没有完成对采样通道的初始化，采样通道的初始化需要调用 scanCfg 函数。

配置 ADC 扫描参数

R_ADC_ScanCfg(adc_ctrl_t * const p_ctrl, void const * const p_extend);

在调用 open 函数初始化了 ADC 后，还需要调用 scanCfg 配置指定的采样通道。第二个参数传入 g_adc 的 p_channel_cfg 成员。

开启扫描

R_ADC_ScanStart(adc_ctrl_t * const p_ctrl);

读取 ADC 数据

R_ADC_Read(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_channel_t const reg_id, uint16_t * const p_data);

用户通过 read 函数直接读取到 ADC 采样到的 12bit 的有效值。也可以调用 read32 函数读出采样值并转化为 32bit 的数据。

读取 ADC 转换状态

R_ADC_StatusGet(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_status_t * p_status);

如果未启用中断，则可使用 R_ADC_StatusGet() 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。

ADC 转换完成中断回调

void adc_callback(adc_callback_args_t * p_args)

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，但 ADC 触发中断的时候将 scan_complete_flag 的值变为 true。

ADC 值转换电压

v = (double)(adc_data*3.3/4095);

ADC 原始数据转换为电压值（ADC 参考电压为 3.3V），ADC 满量程值是 4095，对应 3.3V 电压。

程序编写

在 adc.h 头文件里定义中断初始化函数，数据读取函数。

#ifndef __BSP_ADC_H
#define __BSP_ADC_H
 
#include "hal_data.h"
 
void adc_Init(void);
double read_ADC_Value(void);
 
#endif

在 adc.c 里实现初始化函数、中断回调函数，数据读取函数。

#include "adc.h"
 
//ADC转换完成标志位
volatile bool scan_complete_flag = false;
 
//ADC转换完成中断
void adc_callback(adc_callback_args_t * p_args)
{
    FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_args);
    scan_complete_flag = true;
}
 
//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);
}
 
/* 进行ADC采集，读取ADC数据并转换结果 */
double read_ADC_Value(void)
{
    uint16_t adc_data;
    double v;
 
    (void)R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
    while (!scan_complete_flag) //等待转换完成标志
    {
        ;
    }
    scan_complete_flag = false; //重新清除标志位
 
    /* 读取通道0数据 */
    R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_0, &adc_data);
    /* ADC原始数据转换为电压值（ADC参考电压为3.3V） */
    v = (double)(adc_data*3.3/4095);
 
    return v;
}

在 hal_entry.c 文件中添加头文件 adc.h，在 hal_entry 入口函数初始化 adc，并添加调试语句，循环中 1s 执行一次读数据操作，并打印数据到串口。

void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
 
    led_Init(); // LED 初始化
    uart0_Init();
    adc_Init();
     
    printf("start ADC scan\r\n");
     
    while(1)
    {
        LED1_TOGGLE();
        R_BSP_SoftwareDelay(1, BSP_DELAY_UNITS_SECONDS); //延时1秒
         
        float adcV = (float)read_ADC_Value();
         
        printf("ADC to v: %.2f\r\n", adcV);
    }
 
 
#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    /* Enter non-secure code */
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

下载验证

首先通过 USB 串口连接电脑和开发板，串口的 RX/TX 分别连接开发板的 TX/RX，交叉连接，电脑端打开串口调试助手，波特率设置 115200。

连接下载器，将程序编译并下载到开发板之后，按下复位按键来复位开发板，程序启动初始化完会打印数据。

把 P000 引脚用杜邦线连接开发板的 3.3V 引脚，数据打印显示是 3.3V。

插图05

把 P000 引脚用杜邦线连接开发板的 GND 引脚，数据打印显示是 0V。

插图06

ADC 电压采集实验

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