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AVR单片机教程——ADC

本文隶属于AVR单片机教程系列。

 

ADC

计算机的世界是0和1的。单片机可以通过读取0和1来确定按键状态,也可以输出0和1来控制LED。即使是看起来不太0和1的PWM,好像可以输出0到5V之间的电压一样,达到0和1之间的效果,但本质上还是高低电平。

但是,世界上终究还是有0和1无法表示的。如果引脚上被施加0到5V之间的电压,寄存器PINx无法告诉我们具体情况,只能指示这个电压是1.5V以下还是3V以上(参考数据手册“Electrical characteristics”)。这种可以连续变化的信号称为模拟信号,与离散的、只能取0或1(0或5V)的数字信号对立。

这并不代表数字世界无法处理模拟信号,相反,一种相当常用的处理模拟信号的方法,就是把模拟信号转换成数字信号,用处理器来运算,然后再转换成模拟信号。这个过程中涉及到模拟-数字转换和数字-模拟转换,分别需要ADC和DAC来实现。大多数单片机,作为现实世界中的工具,需要接触模拟信号,尤其是模拟信号的输入,会集成ADC。

ADC的一个参数是分辨率,指它的位数,反映了可以产生的不同输出的数量(8位ADC可以产生0~255的值)与量化最小物理量(通常是电压)的能力(比如当参考电压为2.56V时,理想情况下,8位ADC可以分辨两个相差0.01V的电压的不同)。AVR单片机带有的ADC是10位的。

另一个参数是转换速率,每秒进行A/D转换的次数。AVR单片机的ADC为了达到10位分辨率的精度,最大转换速率为15kSPS(千次采样每秒)。如果可以接受较低的精度,也可以以200kSPS采样,获得8位数据。

分辨率与精度是不同的概念。在这篇入门级教程中,我们只需要知道,A/D转换是会有误差的(数据手册23.7.4一节介绍了可能的误差来源)。即使是相同的电压,两次测量的结果也可能是不同的。

要进行A/D转换,需要提供参考电压和待测电压,转换的结果为\(\frac {待测电压} {参考电压} \times 2^{分辨率}\)。寄存器ADMUX中的ADLAR位控制转换结果的对齐方式。当右对齐时,公式中分辨率取10,转换结果在16位寄存器ADC中(实际上是两个8位寄存器ADCHADCL,但程序可以直接使用ADC,编译器会处理好一些注意事项);当左对齐时,分辨率取8,转换结果在ADCH中。可以直接把ADC当做16位寄存器,编译器会处理好一些注意事项。

ADC有4种参考电压可供选择,分别是AREFAVCC(5V)、1.1V2.56V,由REFS1:0选择。8个单端端口(开发板上引出了4个,端口03),以及一些差分端口(1x10x200x增益)和两个参考电压,共32个通道,可以通过多路复用器连接到ADC上进行转换,由MUX4:0选择。注意,ADC只有一个,在同一时刻只能转换一个通道的电压。

ADCSRAADCSRB用于控制A/D转换。ADCSRAADEN启用ADC组件,ADSC位启动一次转换,到ADIF位为1时转换结束,需要写1才能清零。ADPS2:0选择ADC时钟分频系数,这关系到转换速率:首次采样(启用ADC后第一次或同时)需要25个ADC时钟周期,随后每次采样需要13个。ADCSRB可以选择A/D转换触发源。

开发板提供了3.3V电源,可用于给只支持3.3V的设备供电。我们用ADC来测量这个电压,然后在串口上输出。

#include <avr/io.h>
#include <ee1/uart.h>

int main()
{
    uart_init(UART_TX);
    ADMUX  =    0b01 << REFS0  // AVCC as reference
           |     0b0 << ADLAR  // right adjust
           | 0b00000 << MUX0;  // ADC0 single ended
    ADCSRA =       1 << ADEN   // enable ADC
           |       1 << ADSC   // start conversion
           |       1 << ADIF   // clear flag
           |   0b111 << ADPS0; // divide by 128
           
    while (!(ADCSRA & 1 << ADIF)) // wait until flag is set
        ;
    
    uint16_t voltage = (uint32_t)ADC * 500 >> 10; // ADC / 1024 * 500 (* 10mV)
    uint8_t integer = 0;                          // integer part of voltage
    while (integer * 100 <= voltage)              // calculate integer part
        ++integer;
    --integer;
    uint8_t decimal = voltage - integer * 100;    // calculate decimal part
    
    uart_print_int(integer);                      // print the voltage
    uart_print_char('.');
    uart_set_align(UART_ALIGN_RIGHT, 2, '0');
    uart_print_int(decimal);
    uart_print_string("V\n");
    
    while (1)
        ;
}

数据手册28.8节指明,当ADC时钟为200kHz时,ADC绝对精度可以达到1.9LSB(1LSB就是1024中的1)。经计算得,为了使ADC时钟不超过这个速率,分频系数应该取128。

所测电压为\(voltage = \frac {ADC} {1024} \times 5V\),但直接这样计算会涉及到浮点运算,而AVR硬件不支持浮点,所有浮点运算都是软件实现的,速度相当慢,两个float相乘需要1000多个指令周期,除法需要更多,都是应该竭力避免的。尽管最后的电压是一个小数,但可以通过移动小数点把它变成整数。5V参考电压下,精度1.9LSB约为9.28mV,因此右移两位,以10mV为单位计算。先算乘法以避免浮点除法,算式变为\(voltage = \frac {ADC \times 500} {1024}\)

ADC的值直接与500相乘会溢出,因此需要先提升为uint32_t。当然,你可以把算式约分一下,但不改变会溢出的事实。尽管32位整数不太好处理,但相比浮点数还是容易得多。然后是一个除法。16位整数除法需要173个CPU指令周期(参考:Multiply and Divide Routines),是比较耗时的。尽管这个程序中只计算一次,但还是应该尽量想办法避免耗时的操作。注意到除数1024是一个特殊的数,是2的10次方,可以通过移位运算来做除法,而移位运算相比除法快得多(也许编译器会把/ 1024优化成>> 10)。

然后我们需要把这个数的百位部分拿出来作电压的整数部分,十位和个位作小数部分,可以通过除以100和模100来实现。由于这里的100是一个编译期常数,编译期很可能把这个除法和取模优化掉,不调用100多周期的过程。这里我们感受一下手动优化。由于变量voltage一定小于500,可以用乘法和比较的循环来试出这个商,其中乘法的执行次数不超过6次——AVR单片机有双周期乘法指令。然后,用乘法与减法求出余数。

ADC是单片机编程中相对容易用到浮点与乘除法的场合,设计算法时应尽量注意避免耗时的运算,或手动编写优化的算法来代替。

电位器

电位器,开发板右侧两个旋钮中左边一个,可以连续转动300°。电气属性相当于物理实验中的滑动变阻器,如果把两个定片接在VCCGND上,动片电压就可以指示旋钮旋转的角度,并且通常与角度是成正比的。

之前提到过,A/D转换是有误差的,即使输入电压保持不变,转换结果也可能上下浮动。如果再加上一些电磁干扰,比如附近有电机,这种噪音会更加明显。如果一个程序需要检测电位器旋转的位置在中点的哪边,并仅仅是简单地比较转换结果与128的大小关系,这种噪声会导致严重后果,如红色波形所示:

在阈值128附近,噪声使转换结果上下浮动,导致判断出的状态迅速跳变。用户只是慢慢地把旋钮转过中间的位置,这显然不是我们想要的结果。

这时候就需要滞回比较器出场了。滞回比较器的核心特性是,使输出在0和1之间改变的输入阈值在两个方向上是不同的:当信号从低到高越过高阈值时,输出变为1;当信号从高到低越过低阈值时,输出变为0;如绿色波形所示(图中是反相的)。于是,当输入达到高阈值时,输出变为1,此时只要噪音没有大到使输入回到低阈值,输出将一直保持为1,滤除了噪声。

我们写一个程序,用LED来指示电位器旋钮位置在中点的哪一侧,并在串口上输出每一次状态改变,方便我们观察。

#include <ee1/pot.h>
#include <ee1/led.h>
#include <ee1/uart.h>
#include <ee1/delay.h>

void init();
void normal();
void hysteresis();

int main()
{
    init();
    while (1)
    {
        normal();
//         hysteresis();
        delay(1);
    }
}

static bool status;

void change(bool _value)
{
    status = _value;
    uart_print_string(_value ? "on\n" : "off\n");
    led_set(LED_BLUE, _value);
}

void init()
{
    pot_init(ADC_0);
    led_init();
    uart_init(UART_TX);
    status = pot_read() >= 128;
}

void normal()
{
    bool now = pot_read() >= 128;
    if (status != now)
        change(now);
}

void hysteresis()
{
    uint8_t pot = pot_read();
    if (status && pot < 124)
        change(0);
    else if (!status && pot >= 132)
        change(1);
}

normalhysteresis函数二选一,其中后者使用了滞回比较的算法。

normal模式下,把电位器调整到中点附近的一个位置,你会发现黄色的TX指示灯发了疯一样地闪,串口软件显示一长串的“on”和“off”(仔细调,一定会有)——你根本不需要制造任何干扰,仅凭ADC的误差就可以让程序运行地非常糟糕。如果用满10位的分辨率,这样的现象会更加明显。

而在hysteresis模式下,这样的状况不会出现。

光敏电阻

光敏电阻是一种特殊的电阻器,在光强的时候电阻小,在光弱的时候电阻大。将一个光敏电阻与一个普通电阻串联,接在VCCGND之间,测量中间点的电压,就能知道光的强弱。

当然,已知开发板上与光敏电阻串联的电阻是10kΩ,根据某一时刻的ADC转换结果,也可以计算出此时光敏电阻的阻值。不过不要误会,是通过电压而不是阻值来获得光强。

与电位器一样,如果要检测光的强与弱两种状态,也要用到滞回比较。取两个阈值为100150,两者相差较大,这是因为我们要在光较弱时开灯,这又会增强亮度(有点负反馈的意味),如果相差不够大,就会陷入循环当中。

这两个阈值是随便取的,实际应用应根据具体环境取值。于是容易想到要把这个功能从应用程序中抽离出来成为一个库。但是,不同于之前常用的、返回外设状态让客户来决定操作的函数(尽管还是可以这么写),这个库是事件驱动的:客户注册事件发生时要执行的动作,把程序流程交给框架来控制。

程序分为三个文件:event.hevent.cmain.c,前两个可以独立成库,供以后使用,为了方便,和可执行程序放在一起了。

event.h

#ifndef EVENT_H
#define EVENT_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

void ldr_event_init(uint8_t _thl, uint8_t _thh, void (*_func)(bool));
void ldr_event_cycle();

#endif

event.c

#include "event.h"
#include <ee1/ldr.h>

static void (*handler)(bool);
static uint8_t low, high;
static bool status;

void ldr_event_init(uint8_t _thl, uint8_t _thh, void (*_func)(bool))
{
    ldr_init(ADC_1);
    low = _thl;
    high = _thh;
    handler = _func;
    uint8_t ldr = ldr_read();
    if (ldr <= low)
        handler(status = 0);
    else
        handler(status = 1);
}

void ldr_event_cycle()
{
    uint8_t ldr = ldr_read();
    if (status && ldr <= low)
        handler(status = 0);
    else if (!status && ldr >= high)
        handler(status = 1);
}

main.c

#include <ee1/led.h>
#include <ee1/delay.h>
#include "event.h"

void handler(bool e)
{
    if (e)
        led_off();
    else
        led_on();
}

int main()
{
    led_init();
    ldr_event_init(100, 150, handler);
    while (1)
    {
        ldr_event_cycle();
        delay(1000);
    }
}

客户先编写事件处理函数handler,参数为一个bool,返回void,这是ldr_event_init所规定的。handler根据参数执行相应动作:当etrue时,光由弱变强,关灯;反之开灯。在调用ldr_event_init时,把这个函数的指针作为参数传入。随后,每隔1秒调用一次ldr_event_cycle

请先花一点时间,把库的每一行理解清楚。然后,我们站在客户的角度来看,使用这个库是相对方便的——只需考虑事件,即光的变化,而无需考虑过程,即如何检测这一变化——事实上客户根本没有去检测,更别说如何了。不过,main函数必须每隔一段时间调用一次ldr_event_cycle。在学了定时器中断以后,main函数就可以完全还给客户了。

作业

  1. 查阅相关资料,了解ADC有哪些类型。

  2. 改进上一讲中的RGBW灯程序,使LED亮度适应环境光强。

  3. 结合代码消化吸收事件驱动的概念。推荐阅读:Event-driven Programming - TechnologyUK

posted on 2020-01-10 00:17  jerry_fuyi  阅读(1704)  评论(0编辑  收藏  举报