ADC——電壓采集

25.1. ADC簡介

ADC即模擬數字轉換器，ADC英文全稱（Analog-to-digital converter）， 是一種用于將模擬電壓的連續信號轉換為離散的數字信號。 就比如我們可以將我們生活中的溫度、壓力、聲音這樣的模擬信號通過ADC轉化為我們可以通過單片機處理的數字信號。

RA6M5 有2個ADC單元，每個ADC單元有12位、10位、8位讀取數據的格式可以選擇，在單元0上有13個ADC通道，而在單元1上有16個ADC通道。 ADC單元具有三種掃描方式分別為：單次描模式、連續掃描模式和分組掃描模式， 對于RA6M5來說ADC單元具有強大的功能，具體我們可以通過ADC特性和ADC的結構框圖中分析每個部分的功能。

25.1.1. ADC特性

1. 2 個ADC轉換單元。
2. 可以進行TrustZone安全設置。
3. 支持內部溫度檢測，內部參考電壓。
4. 逐次逼近型ADC，支持的分辨率：12-bit, 10-bit, 8-bit。
5. 轉換時間短：0.4 μs/每通道（12-bit ADC、時鐘PCLKC (ADCLK)等于50 MHz的條件下）。
6. 可啟用A/D 數據存儲緩沖區是一個環形緩沖區，由16個緩沖區組成，用于順序存儲A/D轉換后的數據。
7. 自診斷在每次掃描開始時執行一次，在ADC執行生成中的三個參考電壓值中選擇一個A/D轉換值。

25.2. ADC的結構框圖

### 25.2.1. 電壓輸入范圍

ADC輸入范圍為：VREFL- ≤ VIN ≤ VREFH+。 RA6M5的參考電壓是由VREFL、VREFH 、AVCC0 、AVSS0 這四個外部引腳決定，且每個單元可以設置不同的參考電壓，具體我們可以通過設置不同通道的VREFL、VREFH進行改變。

我們在設計原理圖的時候一般把AVSS0和VREFL接地，把AVCC0和VREFH接3V3，得到ADC的輸入電壓范圍為：0-3.3V。 如果我們想讓輸入的電壓范圍變寬，可以測試負電壓或者更高的正電壓，我們可以在外部加一個電壓調理電路， 把需要轉換的電壓抬升或者降壓到0~3.3V，這樣ADC就可以測量了，為了測量的準確性我們還可以加上磁珠進行濾波。

25.2.2. 工作模式

在ADC單元0中有多達13個模擬輸入通道，而在ADC單元1中有多達16個模擬輸入通道以及內部的溫度傳感器輸出， 兩個ADC單元加起來總共就擁有了29個ADC通道，這么多的ADC通道我們該如何使用它們呢? 在這里我們就可以引入工作模式的概念， 我的單片機上的ADC處在什么樣的工作模式進行ADC轉換以及我們該如何進行設置。

1. 單次掃描模式：在單次掃描下，一次掃描一個或多個指定通道。
2. 連續掃描模式：在連續掃描下，一個或多個指定的通道被重復掃描，直到軟件設置寄存器ADCSR.ADST位為0。
3. 分組掃描模式：將所選擇的模擬輸入通道上分為A組和b組，然后按組對所選擇的模擬輸入通道進行一次A/D轉換。 A、B組可獨立選擇掃描啟動條件，可獨立啟動A、B組的A/D轉換。

在單次掃描模式下和在連續掃描模式下，都會從最小的掃描通道開始從低到高進行A/D轉換。 如果開啟了自診斷模式，在每次掃描開始時執行一次， 并轉換三個參考電壓中選擇一個。 每一種轉換都有著它的優點和缺點，但具體使用什么模式進行ADC轉換，就需要通過我們的項目的需求需要什么樣的效果來決定。

25.2.3. 轉換過程順序

有三種掃描轉換模式分別為:單次掃描模式、連續掃描模式、組掃描模式。 在掃描中，A/D轉換是按順序對指定通道的模擬輸入進行的。

單次掃描模式 ：

在單次掃描模式轉換期間，我們可以通過ADST為來判斷ADC是否處在工作狀態，在ADC轉換的期間ADST為將一直保持為1，當所有選定通道的ADST轉換完成時，將自動設置為0。 然后ADC將進入一個等待狀態。

1. 當ADCSR.ADST位通過軟件觸發器、同步觸發器輸入（ELC）和異步觸發器輸入被置1的時候，ADC轉換開始。 對在ADANSA0和ADANSA1寄存器中選擇的ANn通道進行A/D轉換，從編號最小的n的通道開始。
2. 每當單個信道的A/D轉換完成時，A/D轉換結果都被存儲在關聯的A/D數據寄存器（ADDRy）中。
3. 當所有選定通道的A/D轉換完成時，將生成一個ADC12i_ADI（i = 0,1）中斷請求。

連續掃描模式 ：

在連續掃描模式下，對指定信道的模擬輸入重復執行A/D轉換。 這里的ADCSR.ADST位不會自動清除,只要ADCSR.ADST位保持1時就會一直的重復步驟2、步驟3、步驟4，直到ADCSR.ADST位通過軟件被置0時ADC單元轉換才會停止，之后ADC單元進入等待狀態。

1. 當ADCSR.ADST位通過軟件觸發器、同步觸發器輸入（ELC）和異步觸發器輸入被置1的時候，ADC轉換開始。 對在ADANSA0和ADANSA1寄存器中選擇的ANn通道進行A/D轉換，從編號最小的n的通道開始。
2. 每當單個信道的A/D轉換完成時，A/D轉換結果都被存儲在關聯的A/D數據寄存器（ADDRy）中。
3. 當所有選定通道的A/D轉換完成時，將生成一個ADC12i_ADI（i = 0,1）中斷請求。
4. 對在ADANSA0和ADANSA1寄存器中選擇的ANn通道進行A/D轉換，從編號最小的n的通道開始。

組掃描模式 ：

在群組掃描模式下，請選擇A、B兩組，分別選擇A、B兩組的開始掃描條件，并在不同的時間開始掃描。 另外我們還可以設置優先級，假設我們設置A組優先級高于B組優先級操作時，就可以在B組A/D轉換時打斷它， 使得A組進行A/D轉換，而B組暫停A/D轉換。

我們以ELC為列例子：使用GPT作為A組的觸發源，并使用A組作為B組的觸發源。

1. 當ELC0上的GPT觸發ELC_ADC（A組）時，A組的ADC開始轉換。
2. 當組A掃描完成時，將生成一個ADC12i_ADI（i = 0,1）中斷。
3. B組的掃描由ELC_ADC（A組）開始。
4. 當B組掃描完成時，如果ADCSR.GBADIE位為1時將生成一個ADC12i_GBADI（i = 0,1）中斷。

25.2.4. 觸發源

通道選好了，工作模式也設置好了，那么接下來就需要設置我們的觸發源了。 我們可以設置軟件來觸發ADC、或者通過使用ELC進行觸發、甚至我們還可以使用外部中斷進行觸發。 最終我們的目的是為了使得ADCSR.ADST位被置1，以至于我們可以使用不同的方式進行觸發。

下圖為我們可以在FSP里選擇的模式：

25.2.5. ADC轉換時間

25.2.5.1. ADC時鐘

ADC輸入時鐘（轉換時鐘）ADCLK由PCLKC經過分頻產生，最大值是四分頻50MHz，ADC允許的最大值是50MHz，當我們使用50 MHz的時候12-bit轉換時間為0.4 μs。 PCLKA 和 PCLKC (ADCLK) 的分頻比可以設置為 1:1, 2:1, 4:1, 8:1, 1:2, 1:4。

25.2.5.2. 采樣時間

掃描轉換時間(tSCAN)包括：掃描開始時間(tD)、斷開檢測輔助處理時間(tDIS)*1、自診斷A/D轉換處理時間(tDIAG和tDSD)*2、A/D轉換處理時間(tCONV)、掃描結束時間(tED)。

A/D轉換處理時間(tCONV)由輸入采樣時間(tSPL)和逐次逼近轉換時間(tSAM)組成。 采樣時間(tSPL)用于在A/D轉換器中對采樣和保持電路充電。 如果由于模擬輸入信號源的高阻抗而沒有足夠的采樣時間，或者如果A/ D轉換時鐘(ADCLK)很慢，可以使用ADSSTRn寄存器來調整采樣時間。

由逐次逼近(tSAM)轉換的時間如下

• 12位精度需要13個ADCLK
• 狀態10位精度需要11個ADCLK
• 狀態8位精度需要9ADCLK

選擇通道數為n的單次描模式下的掃描轉換時間(tSCAN)可確定為:

連續掃描模式下第一個周期的掃描轉換時間為單次掃描減去tED的tSCAN。 連續掃描模式下第二次及后續周期的掃描轉換時間固定如下:

25.2.6. 數據寄存器

在RA6M5的ADC中的數據寄存器有很多種，用來保存不同描模式下的數據 比如：ADDRn寄存器是16位只讀寄存器（n=0~15），用來存儲A/D轉換結果、ADTSDR寄存器用來保存內部的溫度傳感器數據寄存器、 ADRD寄存器是用來自動診斷數據寄存器、ADOCDR寄存器是ADC內部參考電壓數據寄存器。

我們還可以通過一些寄存器來設置數據的格式比如： ADC轉換精度選擇由ADCER.ADPRC[1:0]位設置(12位、10位、8位可選)、 ADC數據寄存器格式選擇位ADCER.ADRFMT位設置(左對齊或右對齊)

25.2.7. 電壓轉換

模擬電壓經過ADC轉換后，是一個12位的數字值，如果通過串口以16進制打印出來的話，可讀性比較差，那么有時候我們就需要把數字電壓轉換成模擬電壓，也可以跟實際的模擬電壓（用萬用表測）對比，看看轉換是否準確。

我們一般在設計原理圖的時候會把ADC的輸入電壓范圍設定在：0~3.3v，因為ADC是12位的，那么12位滿量程對應的就是3.3V，12位滿量程對應的數字值是：2^12。 數值0對應的就是0V。 如果轉換后的數值為 X ，X對應的模擬電壓為Y，那么會有這么一個等式成立： 2^12 / 3.3 = X / Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。

25.3. ADC程序設計

25.3.1. 硬件設計

ADC引腳 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter25/chapter25.html#id22 "永久鏈接至表格")| ADC引腳 | P000 |
| ----------------- | ------ |

25.3.2. 軟件設計

25.3.2.1. 新建工程

因為本章節的 ADC 相關實驗例程需要用到板子上的串口功能，因此我們可以直接以前面的“19_UART_Receive_Send”工程為基礎進行修改。

對于 e2 studio 開發環境：拷貝一份我們之前的 e2s 工程模板 “19_UART_Receive_Send” ， 然后將工程文件夾重命名為 “25_ADC” ，最后再將它導入到我們的 e2 studio 工作空間中。

對于 Keil 開發環境：拷貝一份我們之前的 Keil 工程模板 “19_UART_Receive_Send” ， 然后將工程文件夾重命名為 “25_ADC” ，并進入該文件夾里面雙擊 Keil 工程文件， 打開該工程。

25.3.2.2. FSP配置

我們先打開e2 studio軟件里面的 Smart Configurator 配置FSP。

雙擊 configuration.xml 打開配置界面： 然后點開依次點擊 Stacks -> New Stack -> Analog -> ADC(r_adc) 來配置ADC模塊。

ADC頁面的屬性介紹

ADC 屬性介紹 [](https://doc.embedfire.com/mcu/renesas/fsp_ra/zh/latest/doc/chapter25/chapter25.html#id23 "永久鏈接至表格")| ADC屬性 | 描述 |
| - | - |
| ----------------------------- |

配置完成之后可以按下快捷鍵“Ctrl + S”保存， 最后點右上角的 “Generate Project Content” 按鈕，讓軟件自動生成配置代碼即可。

25.3.2.3. 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);
}

1. R_ADC_Open()為整個外設設置操作模式、觸發源、中斷優先級和配置。 如果啟用了中斷，該函數將注冊一個回調函數指針，以便在掃描完成時通知用戶。
2. R_ADC_ScanCfg()配置ADC掃描參數。 通道特定設置是在這個函數中設置的。

25.3.2.4. ADC回調函數

volatile bool scan_complete_flag = false;
void adc_callback(adc_callback_args_t * p_args)
{
   FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_args);
   scan_complete_flag = true;
}

在FSP配置頁面注冊回調函數以及優先級，我們就可以使用來自ADC的中斷回調函數了。

注解

我們通過ADC的中斷回調函數來判斷ADC是否轉換完成。 我們需要定義了一個布爾類型的數據scan_complete_flag來當做ADC讀取完成的標志位。 當沒有轉換完成的時候scan_complete_flag的值一直為false,單ADC觸發中斷的時候將scan_complete_flag的值變為true。

25.3.2.5. 如果未啟用中斷

如果未啟用中斷，則可使用R_ADC_StatusGet() API 用于輪詢 ADC 以確定掃描何時完成。 讀取 API 函數用于訪問轉換后的 ADC 結果。 這適用于支持校準的MCU的普通掃描和校準掃描。

25.3.2.6. ADC讀取轉換后的數值

ADC讀取思路，我們在這里調用R_ADC_ScanStart觸發相應的adc通道轉換，當ADC轉換完成之后會將scan_complete_flag標志位變為true。 當我們判斷到標志位變為true后我們使用R_ADC_Read()或R_ADC_Read32()讀取轉換完成的數值。

double adc_read(void)
{
   uint16_t adc_data;
   double a0;


   (void)R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
   scan_complete_flag = false;
   while (!scan_complete_flag)
   {
      ;
   }

   R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_0, &adc_data);
   a0 = (double)(adc_data*3.3/4095);
   return a0;
}

1. R_ADC_ScanStart()啟動軟件掃描或啟用掃描的硬件觸發器，具體取決于觸發器在R_ADC_Open調用中的配置方式。 如果該單元被配置為ELC或外部硬件觸發，那么該功能允許觸發信號到達ADC單元。 該函數不能控制觸發器本身的生成。 如果該單元被配置為軟件觸發，則該功能啟動軟件觸發掃描。
2. R_ADC_Read()從單通道或傳感器寄存器讀取轉換結果，返回的數據為uint16_t型。
3. R_ADC_Read32()從單通道或傳感器寄存器讀取轉換結果，返回的數據為uint32_t型。

25.3.2.7. hal_entry函數

void hal_entry(void)
{

   err = R_SCI_UART_Open(&g_uart4_ctrl, &g_uart4_cfg);
   printf("開始讀取ADC的數值\\r\\n");
   adc_Init();


   while(1){
      printf("a0=%f\\r\\n",adc_read());
      R_BSP_SoftwareDelay(1000,BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS); //大概1秒鐘讀取一次
   }



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

25.3.3. 下載驗證

用USB線連接開發板“USB TO UART”接口跟電腦，在電腦端打開串口調試助手，把編譯好的程序下載到開發板。 在串口調試助手可看到ADC引腳讀出的模擬數值。