基于RoboMasterC板的RT-Thread使用分享—ADC測量電壓實驗

本次我們來講一下ADC（Analog-to-Digital Converter）不是游戲里的AD Carry，我們將實現(xiàn)電池電壓的讀取。

ADC簡介
ADC的全稱為Analog-to-Digital Converter（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器）。

在單片機(jī)中傳輸?shù)?a target="_blank">信號均為數(shù)字信號，通過離散的高低電平表示數(shù)字邏輯的 1 和 0，但是在現(xiàn)實的物理世界中只存在模擬信號，即連續(xù)變化的信號。將這些連續(xù)變化的信號——比如熱，光，聲音，速度通過各種傳感器轉(zhuǎn)化成連續(xù)的電信號，再通過 ADC 功能將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號給單片機(jī)進(jìn)行處理。

常見的ADC類型有并聯(lián)比較型、逐次逼近型。它們的特點如下

ADC有兩個重要參數(shù)，分辨率和轉(zhuǎn)換速率。

分辨率：每一個ADC模塊都會明確他的分辨率，通過bit來表示，一般的是8bit,10bit,12bit,16bit，24bit.bit越大，說明分辨率越高。

采樣率：采樣率就是ADC 采樣的速率。它是指在規(guī)定的時間內(nèi)可以采集的次數(shù)，采樣率越高，采集到的點數(shù)就越多，那么對原始信號的還原率就越高。采樣率的單位是SPS(sample per sencond),每秒采樣次數(shù)。這個值越大，采樣速度越快。

下面簡單的講一下這兩種ADC的工作原理

并聯(lián)比較型
這個也是比較容易理解的一種。下圖為并聯(lián)比較型ADC的工作原理圖。

它分為分壓部分、比較部分、編碼部分。

一開始的一排電阻均為等阻值的電阻，它們將VREF（參考電壓）進(jìn)行均分，也就代表這個該ADC的精度，電阻分壓后的電壓（Vr）我們將其接到比較器的。圖中V1為我們的待測電壓，當(dāng)V1Vr時比較器輸出1。比如我們這個假設(shè)VREF為15V，V1為1.2V。那么在最下面的比較器中Vr為1V，V1>Vr，比較器輸出1，第二個比較器中Vr為3V，V1

之后我們在每個比較器后加上D觸發(fā)器，當(dāng)我們把C（控制端）至1后，我們給D輸入1，則Q輸入1，輸入0，則Q輸出0。這里我們先給C1，此時比較器輸出的結(jié)果就被存儲到鎖存器中。然后再置0，那么無論我們的輸入電壓V1怎樣變，Q輸出的值都不變，也就保存了輸出值。這里我們改變控制C的速度很大程度決定了最大采樣率，當(dāng)然最大采樣率還受比較器等器件最大頻率的限制。

但是這里輸出的還不是二進(jìn)制數(shù)，因此我們需要后面加一個編碼器進(jìn)行編碼。上面就是并聯(lián)比較型原理的簡單描述。

這里我們也可以看出，并聯(lián)比較型的缺點就是精度想要提升就必須增加相應(yīng)的電阻、比較器、觸發(fā)器。這樣會增加物料成本與體積。但是優(yōu)點就是速度很快。

逐級比較型
下圖為逐級比較型ADC的工作示意圖，我們使用的STM32F4也是使用的這種ADC。

它可以分為控制電路、數(shù)碼寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器四個部分

首先第一步在數(shù)碼寄存器進(jìn)行編碼，將高位D2編碼置1，其他位置0，之后進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，將編碼出來的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量V0。之后V0和輸入電壓Vx到比較器進(jìn)行比較。如果Vx大于V0，比較器輸出1，那么控制電路就會將高位D2鎖定不變，之后將D1置1進(jìn)行第二輪比較。如果此時Vx還是大于V0我們也就說明了我們V0的值更加接近Vx。我們將D0置1繼續(xù)進(jìn)行第三輪比較，比如Vx還是比V0大那么說明Vx大于了ADC的量程，如果Vx

這里給出另一個圖方便大家理解

與 1/2Vref 進(jìn)行比較，Vin 大于 1/2Vref，則將第一位標(biāo)記為 1
與 3/4Vref 進(jìn)行比較，Vin 小于 3/4Vref，則將第二位標(biāo)記為 0
與 5/8Vref 進(jìn)行比較，Vin 小于 5/8Vref，則將第三位標(biāo)記為 0。
圖中的 Vin 通過這個三位的 ADC 后輸出的結(jié)果為 100，轉(zhuǎn)換的結(jié)果為 1/2Vref。

這里我們看出由于它需要逐次逼近因此它的轉(zhuǎn)換速度是比較慢的。而且它的分辨率和采樣速度相互矛盾，分辨率越高，采樣速率就越低。

CubeMX配置
雖然這里bsp文件已經(jīng)將我們需要的ADC1,ADC3開啟了，但是這里還是帶著大家學(xué)習(xí)一遍，便于大家使用其他STM32板子時快速配置。

首先還是看原理圖

這里可以看到電源ADC引腳為PF10，使用ADC3的通道8。

我們需要開啟ADC1和ADC3，ADC1在此處作用為讀取STM32內(nèi)部的1.2V校準(zhǔn)電壓Vrefint，這個操作在芯片內(nèi)部實現(xiàn)沒有對應(yīng)引腳。

ADC1的具體配置如下

下表簡單描述一下CuebMX中ADC設(shè)置中的功能。

ADC3開啟通道8，具體配置如ADC1一樣。

這里我們?yōu)槭裁葱枰褂肁DC1的VREFINT呢？

VREFINT是ADC的內(nèi)部參照電壓1.2V，一般來說在STM32我們會使用Vcc作為Vref，但是實際情況中Vcc可能存在較大波動導(dǎo)致Vref不穩(wěn)定最終使得ADC采樣值不準(zhǔn)確，因此我們使用已有的1.2V內(nèi)部參考電壓先行進(jìn)行多次采樣，計算平均值。將其與ADC采樣得出的值進(jìn)行對比，計算出偏移的比例，得到單位數(shù)字電壓對應(yīng)的模擬電壓值。

程序編寫
首先在RT-Thread Settings組件中打開ADC設(shè)備驅(qū)動程序

之后在硬件中打開ADC1與ADC3

新建一個app_adc.c文件

在使能設(shè)備之后有幾點需要我們注意

我們需要采樣內(nèi)部參考電壓1.2V200次，取平均值并計算單位數(shù)字電壓對應(yīng)的模擬電壓值

/* 采樣內(nèi)部參考電壓200次 /
for(int i=0;i<200;i++)
{
totalvalue+=rt_adc_read(adc_ref,ADC_REF_CHANNEL);
}
/ 計算單位數(shù)字電壓對應(yīng)的模擬電壓值 /
voltage_vrefint_proportion=2001.2f/totalvalue;
之后我們對ADC3通道8進(jìn)行采樣，這里有兩個點需要注意

/* 讀取采樣值 */
value = rt_adc_read(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
rt_kprintf("the value is :%d n", value);
/* 轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓值 */
vol=(double)value*voltage_vrefint_proportion*1009.0909090909090909090909090909f;
rt_kprintf("the voltage is :%d.%02d n", vol / 100, vol % 100);

我們重新看一下原理圖，我們這里采樣的是分壓電路分壓之后的值，因此我們需要計算出分壓之前的值才為我們所需的電池電壓。通過如下計算我們需要乘以10.09

并且RT-Thread中rt_kprintf是不能打印出浮點數(shù)的，如果是浮點數(shù)的話就不會打印出來，這個我之前也踩過坑，有兩個辦法，一是修改rt_kprintf函數(shù)實現(xiàn)，但是printf作為一個可重入的函數(shù)，打印浮點數(shù)是不安全的。因此我這里選擇方法二，我們想要保留小數(shù)點后兩位，那么我們就將值*100，之后在打印時再將值/100作為整數(shù)部分，值%100作為小數(shù)部分，如下所示。

rt_kprintf("the voltage is :%d.%02d n", vol / 100, vol % 100);
完整代碼如下，實現(xiàn)功能為輸入adc_vol_sample，輸出實際讀取到的轉(zhuǎn)換的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過計算后的實際電壓值。

/*

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SPDX-License-Identifier: Apache-2.0

Change Logs:
Date Author Notes
2023-01-09 Goldengrandpa the first version
/
#include
#include
#define ADC_REF_NAME "adc1" / ADC 內(nèi)部參考電壓設(shè)備名稱 /
#define ADC_REF_CHANNEL 17
#define ADC_DEV_NAME "adc3" / ADC 設(shè)備名稱 /
#define ADC_DEV_CHANNEL 8 / ADC 通道 /
static int adc_vol_sample(int argc, char argv[])
{
rt_adc_device_t adc_ref;
rt_adc_device_t adc_dev;
rt_uint32_t totalvalue;
rt_uint32_t value, vol;
double voltage_vrefint_proportion;
rt_err_t ret = RT_EOK;
/ 查找設(shè)備 /
adc_ref = (rt_adc_device_t) rt_device_find(ADC_REF_NAME);
if (adc_ref == RT_NULL)
{
rt_kprintf("adc sample run failed! can't find %s device!n", ADC_REF_NAME);
return RT_ERROR;
}
adc_dev = (rt_adc_device_t) rt_device_find(ADC_DEV_NAME);
if (adc_dev == RT_NULL)
{
rt_kprintf("adc sample run failed! can't find %s device!n", ADC_DEV_NAME);
return RT_ERROR;
}
/ 使能設(shè)備 /
ret = rt_adc_enable(adc_ref, ADC_REF_CHANNEL);
ret = rt_adc_enable(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
/ 采樣內(nèi)部參考電壓200次 /
for(int i=0;i<200;i++)
{
totalvalue+=rt_adc_read(adc_ref,ADC_REF_CHANNEL);
}
/ 計算單位數(shù)字電壓對應(yīng)的模擬電壓值 /
voltage_vrefint_proportion=2001.2f/totalvalue;
/ 讀取采樣值 /
value = rt_adc_read(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
rt_kprintf("the value is :%d n", value);
/ 轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電壓值 /
vol=(double)valuevoltage_vrefint_proportion1009.0909090909090909090909090909f;
rt_kprintf("the voltage is :%d.%02d n", vol / 100, vol % 100);
/ 關(guān)閉通道 /
ret = rt_adc_disable(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
return ret;
}
/ 導(dǎo)出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(adc_vol_sample, adc voltage convert sample);

硬件連接如下，這里使用的是大疆的6s電池，輸出電壓24V。

由于電池基本要沒電了因此計算出來的電壓為22.39V偏小屬于正?，F(xiàn)象。