5.8.3 ARM微控制器外设：ADC寄存器与编程在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到我们

ARM微控制器与嵌入式系统的MOOC课程

我们继续进行我们这个单元

关于数据转换器ADC的学习

那么前两个单元里呢

我们了解了ADC的基本原理 概念

以及它的历史渊源

乃至我们的ARM微控制器里头

经常用的SA型的

逐次渐进型的这样一种ADC的

基本工作原理

那么我们这个单元来看一看

我们所用的KL25这样一款

ARM微控制器里头的ADC模块

我们怎么用一个例子把它给用起来

然后以及它接的其他外围功能电路

我们怎么用ADC把这些物理量给采回来

那么如我上次所说

在我们这样一个ARM的微控制器里头

有很多模拟的部分

比如我们有16位的ADC

还有12比特的DAC、比较器等等

那么我们现在举的最简单的这个例子呢

就是把PortC的第0号这样一个引脚

也就是ADC模块0的SE14

单端第14号Channel这样一个复用的引脚

接到了一个非常简单的可调电位器

可调电阻的分压电路上

所以从电路原理上来讲

我们调整板子上那样一个可调电位器的旋钮

就会改变这两个分压电阻节点上的电压值

我们看看我们的程序能不能通过这样引脚

把这样一个在变化的电压值正确的采出来

那么要想做成这样一件事

我们就要在原来那些概念的基础上

真正理解我们这个

ARM微控制器里头的ADC模块

以及他的一些基本的使用

应该说ARM微控制器里头

这个ADC模块的结构是非常复杂的

我们有一个共用的这个ADC的模块单元

特别大家看中间最大那个块写的就是

SA型的逐次渐进型的ADC

那么会有一系列的控制逻辑和寄存器来伺候它

并且这样一个ADC模块对外有十几个通道

几十个引脚的输入端可以被选通和复用

那么这些输入端呢

又可以工作在单端模式

或者是两个引脚的差分模式

来进行电压值的采样

所以在这门课的范畴里

我们不拆开一点点的讲这个ADC的模块的

里头的内部结构

包括待会我给大家讲它的寄存器

我们也只会精选非常简单的一个部分

教会大家把这样一些

板上已有的基本功能给用起来

让大家有信心

那么大家在这样一个程序的基础上

可以大胆的去看一看

芯片手册的其他比特的寄存器的定义

把更多的功能给自己试一试

那么我们要把这样的ADC模块用起来

在前面已经隐约提到了我们这个芯片

会有两个参考电压的引脚

来为我们这个ADC提供进行数模变化

所使用的那样一个参考电压

那么就好像我们有一把尺子

尺子的刻度首先得准

你量东西才可信

所以说参考电压对于一个模数变换器

一个ADC来起的就是这样一个作用

那么在我们这样一块开发板上我说过

它是直接把我们供电的3.3伏

通过一些简单的滤波器

接到了这个参考电压上

所以对于我们日常像实验范围内

一些基本的测量一些简单的物理量

在百分之一乃至千分之一这个精度上

我们讨论讨论它的值还是可信的

如果大家日后要用微控制器设计更高精度

更高稳定性的测量系统

一定要注意参考电压的用专门的电路

来提供和选择加以设计

另外一个概念呢

就是我们ADC它实际上作为一个外设模块

又是一个微控制器自己的外设模块

它的速度和它的精度实际上是一个平衡

是一个Trade off

那么在这个过程当中

它是根据我们的编程寄存器的设置

可以选择的

比如在芯片手册里我提到13比特以下

和16比特这两种工作模式

整个ADC模块的驱动时钟是有一个范围的

一个到比如说12兆

一个到十几兆

那么在这样的不同时钟下

我们ADC就工作在不同的转换速率下

采集一次电压值所用的时间是有长有短的

然后一个单位时间内能够完成的

采样次数也是有差异的

所以在对应的时钟下不同精度模式的这个

ADC的采样率或者叫转化率

在这张表的下面这两行也进行了罗列

从几十K到几百K

而在不同的采样率下

我们对寄存器进行不同的设置

这个ADC虽然它的Resolution

它的分辨率可以从

10比特 12比特 一直到16比特

而它能够达到的精度也是跟这速度相关联的

是有一个平衡

那么我们看一下这张图

如果我们用ADC工作的时钟频率为横轴

那么同样的ADC模块

在采用同样的配置要用四次平均值

或者32次平均值做读出的时候

能够实现的有效位数

大约就是这条曲线所示

然后它们是随着速度略有变化的

当然我们如果在片内寄存器设置这个读出值

在被读出之前做了

自动做了4次或者32次平均

有效位数会略有提升

但总体上来讲随着速度的提升

我们的有效位会略有下降

所以当我们使用这样一个模块的时候

我们实际上根据我们物理需求学会调整

待会我要讲到的寄存器设置

在ADC的工作速度和工作精度当中

达到一个平衡

而如果你设计的是一个低功耗产品

你还在它的工作模式和功耗之间

再来加以选择

那么有了这些基本的概念

我们还是用一个最最简单的编程

就把刚才提到的这样一个PTC0引脚

ADC0模块第14通道复用的这样一个引脚的

一个电位器电阻上的分压电压值

想办法给读出来

那么要几个步骤呢

还是三个步骤

所以呢

前两个步骤现在因为非常熟练

我们可以非常简单的把它讲完

我们最后直接进入到第三个步骤

来看这个ADC的设置

那么第一个步骤是把ADC模块

和我们ADC这个引脚附用的

这个Port的对应的时钟打开

那么仍然是在SIMSCGC4的

这一系列寄存器里头

我们能找到ADC0这个模块的时钟开关

以及我们用到的PortC这个Port的时钟开关

用两句话分别把这两个模块的时钟打开

那么第二个步骤呢

是把我们用到的PTC0这个引脚

配置给我们的ADC来使用

而不是当IO用

那么这也非常简单

就是PORTC_PCR0这个寄存器

那么我们看一看会发现

对于PTC0这个引脚

ADC_SE14

也就是给ADC模块的单端信号第14通道用

来采集电压值这个功能

就是它的第0号功能

所以我们PortC的PCR0这个寄存器

给它赋一个00的值

就让它中间那三个比特选中第0号功能

就配置为当ADC用了

那么真正核心的是最后一个步骤

就像我所说我们这样一个ADC模块

ADC0这个模块

在我们的微控制器里头大大小小

一共有28个寄存器可以配置它

它可以非常灵活的工作在单次的模式

连续的模式

不同的采样精度

以及电压单端或者差分输入

十几个通道的选择

或者几十个引脚之间的复用来选择

所以这28个寄存器组合起来

我们的ADC模块会非常的灵活

但是编起程来也非常的麻烦

那么在这门课的范畴里

我带大家抛开所有冗余的信息

仅仅我们只深入的看这五个寄存器

把我们刚才所说的

这样一个简单功能给用起来

那么我们来一个一个看

第一个寄存器呢是ADC0的CFG1这个寄存器

那么这个寄存器最重要就是

设置我们ADC模块的时钟信号

那么我用红圈标出了ADIV和ADICLK

这两个区域的各两个比特的信息

那么如红圈所示我们在这里头

选择使用Bus Clock

大家记得就是我们20.97兆默认的一半的速度

作为输入时钟

而分频因子做唯一

所以直接这个ADC模块

在这样一组配合下采用的时钟

就是20.97兆的一半就是10.485兆

如果大家回忆前面我讲过那张表

就会发现这个时钟是一个比较适中的值

无论是采用小于13比特

低精度的ADC采样

还是16比特高精度采样

这个时钟都是适宜的

所以大家后面可以比较灵活

第二个需要配置的呢

是在ADC0的CFG同一个寄存器里头

另外一个比特我们称为这个ADLSMP

这个比特可以选择Short sample time

或者Long sample time

也就是设置ADC以更短的时间完成采样

还是以更长的时间完成采样

那么这有一大段英文对它进行解释

简单的说就是选择用更长的时间进行采样

这个引脚的输入阻抗会更大

对外采集电压值的精度可能会更高

但是因为RC程序时间常数会更长

所以它需要的这个信号的

建立时间和稳定时间也会更长一些

而如果选择Short sample time的时候

我们降低了引脚的输入阻抗

那么这个时候我们可以用更高的速率采样

但是相应引脚的阻抗低了以后

我们对于一些驱动能力不足的信号源

或者是对于一些敏感的信号

可能精度不如长采样时间

所以我们这里设为1

选择长时间采样

那么另外一个这个寄存器里头的两个比特呢

是这个比特2和比特3的这个Mode这个比特

这个比特它的00到11的四个组合

决定了我们这个ADC要工作在多少比特

这个精度的模式下

比如我们现在推荐大家在这门课的实验里

把它设成01

于是就是在单端模式下

采用12位精度的ADC来进行读取

那么日后大家熟悉了ADC的使用

你可以自己灵活选择更低精度更快的采样

或者更高精度更慢的采样

来在这儿当中可以自己进行平衡

所以把刚才所有这些比特联系起来

第一个寄存器ADC0_CFG寄存器

我们给它赋的值

就是0X00000014

第二个寄存器是ADC0的CFG2

在我们现在使用的这个引脚PTC0里头

它是ADC0的SE单端第14通道

那么实际上在ADC模块

我们如果仔细看芯片手册

还会发现一些别的引脚

它是ADC0的SE单端某一个序号通道后面

还有一个尾缀a或者b

也就意味着一个通道

又被复用给了两个物理引脚可以用

那个时候在这个寄存器里

我们标红的这个Mux select这个比特

通过0和1来选择一个通道里

我们是用尾缀a还是尾缀b的那个引脚

那是另外一种灵活

所以在我们现在用的这个引脚PTC0

对应的这个单端14通道里头没有a和b

所以这个比特我们设默认值0就可以了

那我们对于ADC要用到的第三个寄存器呢

就是ADC0_SC2这个寄存器

这个寄存器当中最主要的

就是这个我画红框的这个比特6

这个比特决定我们ADC模块的trigger方式

也就是如何来启动一次模数变化

也就是说在什么条件下

开始把一个模拟电压值

尝试转换成一个我们存在寄存器里的数值

那么这个比特为0的时候

是采用软件trigger的方式

这个比特为1的时候采用的是

硬件trigger的方式

所谓软件trigger的方式

就是在我们待会后面讲到的

SC1A这个寄存器被写入值以后

就开始一次模拟电压的采集和数字化

而如果是硬件trigger的方式

则意味着在微控制器的内部会有一组信号

我们要对它进行别的寄存器的设置配置

比如说比较器采到过阈电压

比如说一个定时器定的时间到了

由硬件的方式通知ADC开始一次采集

所以在本门课程的范畴内呢

我们把它设置为0

也就是软件trigger的方式

在待会的函数编程里头

我们会用软件方式用一条语句

来启动ADC的转换

第四个涉及到的配置用的寄存器呢

是ADC的SC3

也就是状态和控制寄存器第三个

在这个寄存器里头

我们主要是控制它的ADCO这样一个比特

那么这个比特非常有意思

当这个比特为0的时候

每一次启动ADC只完成一次电压转化

也就是说启动看一看输入电压值是多少

转换成数字量存起来就结束

而当这个比特是1的时候

就会进入一种continuous conversions

也就是连续转换模式

那么它会用自己尽可能快的速度

在时钟的驱动下

每完成一次转化把值

存到寄存器里等着人读

再紧接着完成下一次转化

会不停的采样这个引脚上的电压值的变化

而来更新寄存器

那么为了编程的简单

在我们这门课现在这个实验范围里头

我们将这个比特至1

也就是一旦启动

我们就不用反复启动ADC了

这个ADC就在不断进行ADC的变化

寄存器的值不断的

根据一次一次的ADC采集来更新

而每次更新值

都是与一个很短时间间隔之前

我们这个引脚上电压值相关联的

那么这条语句就是ADC0

SC3等于0X00000008对这个比特至1

那么涉及到的第五个寄存器

也就是我们要读的倒数第二个寄存器呢

是我们ADC0的SC1A

这个寄存器非常有意思

我们感兴趣的

或者我们需要关注的是两个区域

我标了红色

一个是最底部的这五个比特

也就是ADCH这个区域

这个区域可以赋一系列由01组合的值

那么这些值就决定了

当前这一次启动ADC采样

是与哪一个Channel哪一个引脚相关联

比如说我们现在设成我标了黄色区域

标了红框的这个01110这一组值

就意味着我们这一次ADC转换读取的是

AD的通道14

也就是我们对应的单端引脚的ADC0_SE14

这个Channel上的电压值

这就是我们刚才所说的

PTC0引脚的复用功能

接在电位器上的一个值 对吧

所以我们应该对这个ADC0_SC1A这个寄存器

赋上刚才说的01110这样一个二进制的数

写成16进制

就是0X000000E

那么赋了这个值

那么另外大家需要注意的一个比特

是这个上面这个COCO这个比特

也就是比特7

比特7这是一个flag

是个标志位

每当一次Conversion一次模数转化

完成的时候

这一个比特就会至1

我们就知道我们要读的这个转化的寄存器里头

有了一个新的值

那么刚才我们把这个ADC

设置为了连续转换的模式

所以大家可以想象这个标志位

是不断的被刷新至1

每当它至1一次就意味着寄存器里

有一个新的值

而我们有读这个值

就是离现在最近的那个时间间隔之前

引脚上的电压值的反映

所以我们不停的根据这个标志位

来读我们的数据寄存器的值

就可以不停的获得引脚上电压的变化

那么我们在引脚上电压的变化怎么读呢

读的寄存器就是我们最后一个

涉及到寄存器ADC0_RA

大家注意我们前面是给

ADC0_SC1A这个寄存器

指定了ADC的14通道

也就是说用A这一组来读14通道

所以它对应的数据

就存在了ADC0_RA寄存器里头

那么它的格式在我们前面设置这个

ADC的工作模式时候已经定死了

是12比特的单端模式

所以就如这张表里的红框所示

读出来的数据是一个16比特的数

但是它的高次比特都填了0

后面的12个比特

是我们真实的这一次转化得到的电压值

所以把刚才所说的这样一个读写的流程

如果做成一个ADC0_DATA的封装

读取这个ADC的值的话

我们实际上是每次进去查ADC0_SC1A上面

COCO这么一个标志位的状态是否为1

如果为1就说明了完成一次转化有数据可读

那么用While循环来查询等待它有了以后

我们从ADC0_RA的数据寄存器

把这一次的转换值读出来

然后当做函数的返回值返回

同时注意擦一下ADC0_SC1A这个COCO的标志位

以便下一次读取

那么在这样一个函数的背后

我们应该脑袋里稍微回忆一下

匆匆忙忙刚才讲过这六个寄存器

如果没有想明白同学倒回去看一看

会发现每个寄存器有若干个比特可以设置

但是我们实际上

已经在曾老师的简化模型里头

把这个ADC模块约定在了

一种很有意思的工作模式

我们用一次对ADC0_SC1A的读

来启动ADC模块

制定了ADC模块读的是单端的通道14

这样一个通道

这个通道反映到物理引脚上呢

就是PTC0这个引脚

复用的第0号功能 对不对

读的就是上面的电压值

然后ADC被配置为了一个连续转化的模式

也就一旦启动他就自己一次一次的采样电压值

一次一次获得数据值

把这个数据值一次一次的刷到数据寄存器

并且至标志位说转化完成

所以我们每调用一次

刚才封装的这个C语言函数

实际上都是等

如果当前正在转化

就等一等

然后每次都是等到一次转化结束

读它自动不停刷新的这个采样里头

最近的一次的值

所以实际上这个函数被调用的时候

我们从寄存器读一次离的最近的值

而寄存器的值这个ADC模块

被我们设置在了一个自己不停的

在运行的状态

那么这样一种编程的方式呢

我们ADC用起来比较简单

它用一个指定的速率

指定的精度在不停的转化

你需要知道这个引脚值的时候

就调用这个函数读一下它的值

缺点呢就是它一直在那儿转化

它就相对的一直在那儿耗电

它并不是一种低功耗的设置

而更高阶的如果说要平衡速度和精度

希望速度更快

或者希望精度更高

大家需要更加仔细的研究呢

这个寄存器的设置和你电路板上的外围电路

特别是当大家后面做到光线的物理量测量

温度的物理量测量

如果你觉得你测的值

晃的厉害 抖的厉害的时候

你可以多方面考虑这些因素

但是不管怎么样

我们先用最简单的方式

把这么一个模块给用起来

好 那如果再多说一句

刚才前面讲到那四五个寄存器

它的初始化

包括我们最熟悉的把引脚的时钟打开

把引脚配置为给ADC用 大家都记住了吗

我们尝试把一个ADC0_Init的函数

像这样写出来

所以这些函数并不是范本

并不是大家必须这么做

而是希望大家以这些代码为例

理解如何简单把ADC模块给用起来

能够把电压值给读进来

那么完成了这样一个函数

完成了这样一个读写函数的封装

完成这样一个初始化函数封装以后

我们就可以尝试玩一玩我们这个电位器了

我们都知道把它转一转

它电阻就会在一个范围内变化

电阻我们读的那个端点的电压

就会从一个比较小的值到一个比较大的值

那么给大家一个任务说能不能用电位器

控制大家板子上最早玩过那个点灯

那个灯的闪烁速度呢

你转转旋钮让灯越闪越快

再转转旋钮让灯越闪越慢

如果能那你就玩玩看吧

这就是这节课的一个练习

那么作为它的拔高

包括后面实验我给大家讲的

比方说我们板子上的灯是三色的LED

我曾经给大家提议过

你用不同的颜色的频率占空比的变化

来产生呼吸灯 产生七彩灯

那请问你能用这个旋钮

来改变你这些灯的颜色吗

然后又比方说我们在这个板子上

至少还有两个ADC已经接好的外围电路

一个是用热敏电阻分压

我们可以测量我们周围的环境温度

你能够成功读出映射到了PTC1引脚上的

ADC0的单端15通道这个引脚的电压信号

来测一测我们热敏电阻

产生了多少电压值吗

那么热敏电阻分到电压值

我们能换算回温度吗

又比方说我们在这样一个电路上

有一个光敏的二极管

接了一个电压的跟随和放大电路

那么我们能不能采用

我们的另外一个PTC2引脚

也就是ADC的通道11来测一测

这个输出电压值

乃至还原成测我们板子所处的光线环境

到底有多少流明呢

所以这些任务都可以大家自由地去探索

在这个过程当中去感受ADC

为什么我说它非常重要

帮助大家建立了一个微控制器的

片上计算机系统

与真实物理世界之间的接口与联系