什么是ADC

  ADC是一种用于将模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器。我们知道，模拟信号是连续的，其取值可以在一定范围内任意变化。而数字信号则是离散的，仅能取有限的值。ADC的工作原理是将模拟信号通过采样转换为离散的数字信号，然后再通过量化、编码等处理，最终得到对应的数字表示。ADC采样的频率越高，得到的数字信号就越接近原来的模拟信号，也就是保真度越高，但是需要更多的资源和计算功耗。

地奇星 的ADC介绍

  R7FA6E2BB3CNE 它搭载了一个模数转换器（ADC），其中A/D转换精度支持从12位，10位，8位转换中选择，从而可以优化权衡在产生数字值的速度和分辨率之间。支持以下工作模式：单扫描模式、连续扫描模式与 组扫描模式。

ADC的基础参数

分辨率：表示ADC转换器的输出精度，通常以位数（bit）表示，地奇星开发板支持8位、10位、12位，其位数越高，精度越高。

采样率：表示ADC对模拟输入信号进行采样的速率，通常以每秒采样次数（samples per second，SPS）表示，也称为转换速率，表示ADC能够进行多少次模拟到数字的转换。

采样范围：指ADC可以采集到的模拟输入信号的电压范围，范围为：VREFH0 ≥ ADC ≥ VREFL0 。

注：其中VREFL0为V(SSA)等于地0V，VREFH0 等于V(DDA),而立创·地奇星开发板在原理图设计的时候VDDA接入了3.3V 。

ADC的基本原理

ADC（模数转换器）是一种电子设备，用于将连续的模拟信号转换为对应的数字信号。这种转换过程涉及到几个基本原理：

• 采样：ADC首先对模拟信号进行采样。这意味着它以固定的时间间隔测量输入信号的值。采样频率决定了系统对输入信号的精度和响应速度。

• 保持：在进行采样后，信号的值被"保持"在一个电容器或者某种存储设备中，以便在转换期间保持不变。这可以防止因为信号在转换期间发生变化而引起的误差。

• 量化：采样后的模拟信号值需要被量化成数字形式。这个过程涉及将连续的模拟信号分成离散的数值级别，通常使用二进制表示。ADC的分辨率决定了它能够提供的数字级别数量，也就是其精度。

• 编码：量化后的信号被编码成数字形式，通常以二进制的形式表示。这些数字可以由微处理器或者其他数字电路进行处理和存储。

• 输出：最后，编码后的数字信号可以被传输到数字系统中进行处理，比如微处理器、FPGA等。

这些基本原理构成了ADC的工作方式，使得它能够将来自传感器、信号源或者其他模拟设备的信号转换为数字形式，以便数字系统进行处理、分析和存储。

ADC的优点

• 数字信号具有良好的抗干扰性。数字信号是由一系列离散的数字表示，因此可以抵抗模拟信号受到的各种干扰，如噪声、漂移等。

• 方便数字信号的存储、处理和传输。由于数字信号是离散的，因此它们可以轻松存储在计算机内存或其他数字设备中，方便进行处理和传输。

• 具有可编程性。现代的ADC出现了很多可编程的功能，例如可编程增益、采样率和滤波器等，可以根据不同的应用场景进行优化。

• 适用性广泛。ADC被广泛应用于工业、通信、医疗、电子测量、音频、视频等领域，可转换各种不同类型的模拟信号，包括电压、电流、声音、光信号等。

ADC 特性

ADC 说明

  注：这里需要注意的一点的是地奇星开发板的ADC转换时间是使用时钟源PCLKC其支持最大的频率为：50MHz，AD 转换时间为 0.52us 每通道。其外设模块时钟PCLKA和A/D转换时钟PCLKC （ADCLK）可以通过以下方式设置分频比：PCLKA与PCLKC （ADCLK）频率比= 1:1、2:1、4:1、8:1、1:2、1:4

ADC I/O Pins

引脚名称	输入/输出	功能
AVCC0	输入	模拟模块电源引脚（不使用ADC12/DAC12时连接至VCC）
AVSS0	输入	模拟模块电源接地引脚（不使用ADC12/DAC12时连接至VSS）
VREFH0	输入	模拟参考电压电源引脚
VREFL0	输入	模拟参考接地引脚
AN000至AN002、AN007、AN011至AN013、AN016	输入	模拟输入引脚0至2、7、11至13、16
ADTRG0	输入	启动A/D转换的外部触发输入引脚

ADC 采集

注：我们这里的工程是复制的串口工程上继续开发的。

  首先打开 e2 studio 软件新建工程后 ，在 FSP Configuration -> Pins -> Peripherals -> Analog：ADC -> ADC0 接下来我们需要配置 Operation Mode ，选择 Custom 。如下图所示：

  接下来，添加ADC的模块， New Stack -> Analog -> ADC(r_adc),如下图所示：

  接下来我们选择 g_adc0_ADC 模块，然后点击属性，然后放大，需要修改的内容，如下图所示：

  这里需要说明一下工作模式，如下图所示：

• 单次扫描模式：在单次扫描下，每一次触发将扫描一个或者多个。
• 连续扫描模式：先触发一次，之后设定的通道会不停地重复扫描，一直到用软件里的 R_ADC_ScanStop () 函数喊停才会结束。
• 分组扫描模式：把选好的模拟输入通道分成 A、B 两组，分别对两组通道进行 A/D 转换。A 组和 B 组能各自决定什么时候开始扫描，可以单独启动各自的转换。

  中断源，如下图所示：

用于触发ADC转换的方法主要为三种类型：

• 软件触发。
• 事件链接控制器（ELC）的同步触发
• 外部触发引脚。

其中模式依次为：

• 外部触发
• 软件触发
• ADC0比较匹配触发
• ADC0比较不匹配触发
• ADC0扫描结束触发
• 端口1-4事件触发
• SCI4 AM（Address match event） 地址匹配事件触发
• 接收数据错误触发
• 接收数据满事件触发
• 发送数据结束事件触发
• 发送完数据事件触发

注：

• General:
  • Uint:adc的号数。
  • Resolution：ADC的采样位数。
  • Alignment：ADC采样结果对齐方式。
  • Clear after read:读取ADC采样值后是否清空对应寄存器值
  • Mode:ADC采样模式（Single Scan：单次扫描 Continuous Scan：连续扫描 Group Scan：分组扫描）
  • Double-triger :adc双触发源使能。
• input：
  • Channel Scan Mask:在普通模式转换通道，在组模式，指定A组通道。
  • Group B Scan Mask:在组模式，指定B组通道。
• Interrupts：
  • Normal/Group A Trigger：通道A的触发（软件、外部引脚、ELC信号触发）
  • Group B Trigger：通道B的触发（软件、外部引脚、ELC信号触发）
  • Group Priority：选择A组是否可以中端B组采样
  • Callback:中断回调函数
  • Scan End Interrupt Priority 扫描采样完成中断优先级
  • Scan End Group B Interrupt Pririty:B组扫描完成中断优先级
  • Windows Compare A/B Interrupt Pririty:A/B组电压比较中断优先级

  设置完成后，按下 Ctrl + S 进行保存，然后点击 Generate Project Content 进行工程生成。

程序编写

  然后再 src 下创建一个 adc 的文件夹，在里面创建 bsp_adc.c 与 bsp_adc.h 两个文件,创建一个 Applay 的文件夹，在里面创建 app.c 与 app.h 两个文件，如下图所示：

app.c

#include "Apply\app.h"
#include "uart\bsp_uart.h"
#include "adc\bsp_adc.h"

void Run(void)
{
    Debug_UART0_Init();
    ADC_Init();
    printf("欢迎使用立创·地奇星RA6E2开发板\r\n");
    printf("接下来开始 ADC 实验:\r\n");

    while(1)
    {
          printf("ADC0=%f\r\n",ADC_read_Value());

           R_BSP_SoftwareDelay(1,BSP_DELAY_UNITS_SECONDS);
    }
}

app.h

#ifndef __APP_H
#define __APP_H

#include "hal_data.h"
#include <stdio.h>

void Run(void);

#endif

bsp_adc.c

#include "bsp_adc.h"
#include "r_adc_api.h"
#include "hal_data.h"
#include <stdio.h>

volatile bool adc_flag = false;

void ADC_Init(void)
{
    fsp_err_t err;

    // 打开ADC设备
    err = R_ADC_Open(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_cfg);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC初始化失败! \n");
        return;
    }

    // 配置ADC扫描
    err = R_ADC_ScanCfg(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_channel_cfg);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC扫描配置失败! \n");
        R_ADC_Close(&g_adc0_ctrl);  // 关闭已打开的ADC
        return;
    }

    printf("ADC初始化成功!\n");
}

void adc_callback(adc_callback_args_t *p_args)
{
    FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_args);
    adc_flag = true;
}

double ADC_read_Value(void)
{
    uint16_t adc_data = 0;
    double temperature = 0.0F;

    // 启动ADC扫描
    fsp_err_t err = R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC扫描启动失败! \n");
        return 9999;  // 返回错误值
    }

    // 等待ADC转换完成
    while (!adc_flag);
    adc_flag = false;  // 清除标志位

    // 读取ADC数据
    err = R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_0, &adc_data);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC数据读取失败!\n");
        return 9999;  // 返回错误值
    }

    // 计算温度值
    temperature = (adc_data * 3.3)/ 4096;

    return temperature;
}

bsp_dac.h

#ifndef __BSP_ADC_H_
#define __BSP_ADC_H_
#include "hal_data.h"
#include "stdio.h"

#include <unistd.h>
#include <errno.h>

#include <stdint.h>

void ADC_Init(void);
double ADC_read_Value(void);

#endif

hal_entry.c

#include "hal_data.h"
#include "Apply\app.h"

FSP_CPP_HEADER
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event);
FSP_CPP_FOOTER

/*******************************************************************************************************************//**
 * main() is generated by the RA Configuration editor and is used to generate threads if an RTOS is used.  This function
 * is called by main() when no RTOS is used.
 **********************************************************************************************************************/
void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */

    Run();

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

ADC 实验结果

  我这边稳压电源提供是一个 1V 的电压，这里采集出来的范围也接近 1V ，这是正常的，因为器件与稳压电源都有误差。

TSN 实验

  在配置程序之前我们需要查看一下他的一个ADC转换为温度的公式，部分截图（第1699页）如下图所示：

  这里只需要满足 T=（Vs-V1）/slope +T1 这个公式即可。

注：

• Vs：温度传感器测温时输出的电压(V)
• T1：在某一点实验测量的温度（°C）
• V1：经温度传感器测量后输出电压T1 (V)
• T2：第二点的实验测量温度（°C）
• V2：温度传感器测量T2时输出的电压(V)
• 斜率：温度传感器的温度梯度（V /°C），斜率= (V2 - V1) / （T2 - t1）

  由于这里需要算一个 Slope 斜率，我们继续往下找可以找到一个 TSN 特征表：如下所示：

  这里展示每 4mV为1度，至此我们的斜率就得到了，至此我们还有两个参数需要去获取，V1与T1，接着查看第1699页，如下图所示：

  这里我们可以看到转换公式所需的参数，接下来我们该去配置软件（注：这里是在ADC的采集实验上进行修改的）。我们选择 g_adc0_ADC 模块，然后点击属性，然后放大，如下图所示：

  设置完成后，按下 Ctrl + S 进行保存，然后点击 Generate Project Content 进行工程生成。

程序编写

  这里我只展示修改的程序。

#include "bsp_adc.h"
#include "r_adc_api.h"
#include "hal_data.h"
#include <stdio.h>

volatile bool adc_flag = false;

void ADC_Init(void)
{
    fsp_err_t err;

    // 打开ADC设备
    err = R_ADC_Open(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_cfg);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC初始化失败! \n");
        return;
    }

    // 配置ADC扫描
    err = R_ADC_ScanCfg(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_channel_cfg);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC扫描配置失败! \n");
        R_ADC_Close(&g_adc0_ctrl);  // 关闭已打开的ADC
        return;
    }

    printf("ADC初始化成功!\n");
}

void adc_callback(adc_callback_args_t *p_args)
{
    FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_args);
    adc_flag = true;
}

double ADC_read_Value(void)
{
    uint16_t adc_data = 0;
    int32_t CAL127 = 0;
    adc_info_t Adc_Temp;
    double slope = 0.004F;
    double temperature = 0.0F;

    // 启动ADC扫描
    fsp_err_t err = R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC扫描启动失败! \n");
        return 9999;  // 返回错误值
    }

    // 等待ADC转换完成
    while (!adc_flag);
    adc_flag = false;  // 清除标志位

    // 读取ADC数据
    err = R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_TEMPERATURE, &adc_data);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC数据读取失败!\n");
        return 9999;  // 返回错误值
    }

    // 获取校准数据
    err = R_ADC_InfoGet(&g_adc0_ctrl, &Adc_Temp);
    if (FSP_SUCCESS != err) {
        printf("ADC校准数据获取失败!\n");
        return 9999;  // 返回错误值
    }

    //获取温度
    CAL127 = (int32_t) Adc_Temp.calibration_data;

    // 计算温度值
    temperature = ((adc_data - CAL127) * 3.3 / 4096) / slope + 127;

    return temperature;
}

TSN 实验结果