《ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6》第二十四章 ADC实验

第二十四章 ADC实验
1）实验平台：正点原子DNESP32S3开发板
2）章节摘自【正点原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6
3）购买链接：https://detail.tmall.com/item.htm?&id=768499342659
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/esp32/ATK-DNESP32S3.html
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子DNESP32S3开发板技术交流群：132780729

本章介绍使用ESP32-S3模数转换器（ADC）进行带通道的电压采集。通过本章的学习，读者将学习到单通道ADC的使用。
本章分为如下几个小节：
24.1 ADC简介
24.2 硬件设计
24.3 程序设计
24.4 下载验证
24.1 ADC介绍
24.1.1 ADC简介
生活中接触到的大多数信息是醉着时间连续变化的物理量，如声音、温度、压力等。表达这些信息的电信号，称为模拟信号（Analog Signal）。为了方便存储、处理，在计算机系统中，都是数字0和1信号，将模拟信号（连续信号）转换为数字信号（离散信号）的器件就叫模数转换器（Analog-to-Digital Convert，ADC）。
ADC转换器可分为：并行比较型A/D转换器(FLASH ADC)、逐次比较型A/D转换器(SAR ADC)和双积分式A/D转换器(Double Integral ADC)。
A/D转换过程通常为4步：采样、保持、量化和编码，如下图所示。

图24.1.1.1 A/D转换过程图
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。
保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。
量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。
编码：把量化的结果用二进制代码表示。
采样和保持通常是在采样-保持电路中完成，量化和编码通常在ADC数字编码电路中完成。
24.1.2 ESP32-S3 ADC介绍
ESP32-S3集成了两个12位SAR ADC，ADC1和ADC2，支持20个模拟通道输入。这20个模拟通道输入对应着具体的IO，并不是随意的IO都有模拟输入功能，具备模拟输入功能的引脚如下表所示。

表24.1.2.1 具备模拟输入功能的引脚
ESP32-S3的ADC模块的分辨率为12位，所以AD转换后的值范围为0~4095。由于ESP32-S3的工作电压为3.3V，所以当AD值为4095时，对应的电压为3.3V；当AD值为0时，对应的电压为0V。对于AD值和电压值，这里就会有一个简单的关系，如下所示。

24.2 硬件设计
24.2.1 例程功能

• 本章实验功能简介：使用ADC采集通道7（IO8）上面的电压，在SPILCD模块上面显示ADC转换值以及换算成电压后的电压值。在P3端口中，使用短路帽将AIN和RV1排针连接，使得IO8连接到电位器上，然后将ADC采集到的数据和转换后的电压值在SPILCD屏中显示。用户可以通过调节电位器的旋钮改变电压值。LED闪烁，提示程序运行。
  
• LED闪烁，指示程序正在运行。
  

24.2.2 硬件资源

• LED
  LED - IO1
  
• XL9555
  IIC_SDA-IO41
  IIC_SCL-IO42
  
• SPILCD
  CS-IO21
  SCK-IO12
  SDA-IO11
  DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）
  PWR- IO1_3（XL9555）
  RST- IO1_2（XL9555）
  
• ADC
  ADC1_CHANNEL_7
  

24.2.3 原理图
ADC属于ESP32-S3内部资源，实际上我们只需要软件设置就可以正常工作，另外还需要将待测量的电压源连接到ADC通道上，以便ADC测量。本实验，我们通过ADC1的通道7（IO8）来采集外部电压值，开发板有一个电位器，可调节的电压范围是：0~3.3V。我们可以通过跳线帽将IO8与电位器连接，如下图所示：

图24.2.3.1 IO8（对应AIN排针）与电位器引脚示意图
使用杜邦线将ADC和RV1排针连接好后，并下载程序后，就可以用螺丝刀调节电位器变换多种电压值进行测量。
有的朋友可能还想测量其它地方的电压值，我们只需要1根杜邦线，一端接到AIN排针上，另外一端就接你要测试的电压点。一定要保证测试点的电压在0~3.3V的电压范围，否则可能烧坏我们的ADC，甚至是整个主控芯片。
24.3 程序设计
24.3.1 程序流程图
程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：

图24.3.1.1 ADC实验程序流程图
24.3.2 ADC函数解析
ESP-IDF提供了一套API来配置ADC。要使用此功能，需要导入必要的头文件：

1. #include " esp_adc_cal.h"#include " driver/adc"

复制代码

接下来，作者将介绍一些常用的ESP32-S3中的ADC函数，这些函数的描述及其作用如下：
1，配置ADC
该函数用于配置ADC各项参数，其函数原型如下所示：

1. esp_err_t adc_digi_controller_configure(const adc_digi_configuration_t *config);

复制代码

该函数的形参描述，如下表所示：

表24.3.2.1 函数adc_digi_controller_configure()形参描述
返回值：ESP_OK表示配置成功。其他表示配置失败。
该函数使用adc_digi_pattern_config_t以及adc_digi_configuration_t类型的结构体变量传入，该结构体的定义如下所示：

表24.3.2.2 adc_digi_pattern_config_t结构体参数值描述

表24.3.2.3 adc_digi_configuration_t结构体参数值描述
完成上述结构体参数配置之后，可以将结构传递给 adc_digi_controller_configure() 函数，用以实例化ADC。
2，读取ADC原始数据
该函数用于读取ADC原始数据，其函数原型如下所示：

1. int adc1_get_raw(adc1_channel_tchannel);

复制代码

该函数的形参描述，如下表所示：

表24.3.2.4 函数adc1_get_raw()形参描述
返回值：其他值表示ADC原始数值，-1表示读取失败。
24.3.3 ADC驱动解析
在IDF版14_adc例程中，作者在14_adc \components\BSP路径下新增了一个ADC文件夹，分别用于存放adc.c、adc.h这两个文件。其中，adc.h文件负责声明ADC相关的函数和变量，而adc.c文件则实现了ADC的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。
1，adc.h文件

1. /* ADC采集通道定义 */#define ADC_ADCX_CHY  ADC1_CHANNEL_7

复制代码

2，adc.c文件

1. /*** @brief       初始化ADC* @param       无* @retval      无*/void adc_init(void){adc_digi_pattern_config_tadc1_digi_pattern_config;    /* ADC1配置句柄 *//* ADC1初始化句柄 */   adc_digi_configuration_t adc1_init_config;       /* 配置ADC1 */   adc1_digi_pattern_config.atten = ADC_ATTEN_DB_11;      /* 配置ADC衰减程度 */   adc1_digi_pattern_config.channel = ADC_ADCX_CHY;       /* 配置ADC通道 */   adc1_digi_pattern_config.unit = ADC_UNIT_1;            /* 配置ADC单元 */adc1_digi_pattern_config.bit_width = ADC_BITWIDTH_12;  /* 配置ADC位宽 *//* 配置将要使用的每个ADC参数 */   adc1_init_config.adc_pattern = &adc1_digi_pattern_config;   adc_digi_controller_configure(&adc1_init_config);      /* 配置ADC1 */}

复制代码

从上面的代码中可以看出，ADC的初始化函数中，配置了 ADC1通道7。
ADC驱动中，获取ADC转换结果的函数，如下所示：

1. /*** @brief       获取ADC转换且进行均值滤波后的结果* @param       ch       :通道号, 0~9* @param       times    :获取次数* @retval      通道ch的times次转换结果平均值*/uint32_tadc_get_result_average(uint32_t ch, uint32_t times){    uint32_t temp_val = 0;    uint8_t t;    for (t = 0; t < times; t++)     /* 获取times次数据 */    {        temp_val += adc1_get_raw(ch);        vTaskDelay(5);    }    return temp_val / times;        /* 返回平均值 */}

复制代码

以上函数用于获取ADC转换结果的函数，函数adc_get_result_averagr()则是多次调用adc1_get_raw()获取多次ADC的转换结果，然后进行均值滤波。
24.3.4 CMakeLists.txt文件
打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件，其内容如下所示：

1. set(src_dirs           ADC           IIC           LCD           LED           SPI           XL9555)set(include_dirs           ADC           IIC           LCD           LED           SPI           XL9555)set(requires           driver           esp_adc)idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

复制代码

上述的红色ADC驱动以及esp_adc依赖库需要由开发者自行添加，以确保ADC驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的，它确保了ADC驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。
24.3.5 实验应用代码
打开main/main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为app_main。该函数代码如下。

1. i2c_obj_t i2c0_master;/*** @brief       程序入口* @param       无* @retval      无*/void app_main(void){    uint16_t adcdata;    float voltage;    esp_err_t ret;    ret = nvs_flash_init();                                    /* 初始化NVS */if (ret ==ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES|| ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)    {       ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());        ret = nvs_flash_init();    }    led_init();                                               /* 初始化LED */    i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0);                         /* 初始化IIC0 */    spi2_init();                                               /* 初始化SPI2 */    xl9555_init(i2c0_master);                                  /* 初始化XL9555 */    lcd_init();                                               /* 初始化LCD */    adc_init();                                               /* 初始化ADC */    lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32", RED);    lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "ADC TEST", RED);    lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);    lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "ADC1_CH7_VAL:", BLUE);    lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "ADC1_CH7_VOL:0.000V", BLUE);    while(1)    {        adcdata =adc_get_result_average(ADC_ADCX_CHY, 10);       /* 显示ADC采样后的原始值 */       lcd_show_xnum(134, 110, adcdata, 5, 16, 0, BLUE);              voltage = (float)adcdata * (3.3 / 4096);/* 获取计算后的带小数的实际电压值 */        adcdata = voltage;                        /* 赋值整数部分给adcx变量 */       lcd_show_xnum(134, 130, adcdata, 1, 16, 0, BLUE);/* 显示电压值的整数部分 */        voltage -= adcdata;  /* 把已经显示的整数部分去掉，留下小数部分 */        voltage *= 1000;     /* 小数部分乘以1000 */       lcd_show_xnum(150, 130, voltage, 3, 16, 0x80, BLUE);    /* 显示小数部分 */        LED_TOGGLE();                                         /* LED翻转函数 */        vTaskDelay(100);    }}

复制代码

从上面的代码中可以看出，在进行完包括ADC的所有初始化工作后，便不断地获取ADC1通道7进行10次转换后经过均值滤波后的结果，并将该原始值显示在LCD上，同时还通过该电压的原始值计算出了电压的模拟量，并在LCD上进行显示。
24.4 下载验证
在完成编译和烧录操作后，可以看到LCD上实时刷新显示着ADC1通道7（IO8引脚）采集到电压的数字量和模拟量，此时可以通过杜邦线给IO8引脚接入不同的电压值（注意共地，且输入电压不能超过3.3V，否则可能损坏开发板），可以看到LCD上显示的电压数字量和模拟量也随之改变。

图24.4.1 SPI LCD显示效果图

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