Любой микроконтроллер общается с периферийными устройствами при помощи портов ввода/вывода. При этом он способен “воспринимать” только цифровые сигналы – логический ноль или единицу. Например, у МК ATmega8 при напряжении питания 5 В логический ноль – это напряжение лежащие в интервале от 0 до 1,3 В, а единица – от 1,8 до 5 В. Довольно часто в радиолюбительской практике возникает необходимость измерять напряжения, которое может принимать любое значение в диапазоне от нуля до уровня напряжения питания. Для этих задач в составе всех микроконтроллеров AVR имеется аналого-цифровой преобразователь.
Не вникая в подробности устройства АЦП, представим его типовым черного ящика. На вход АЦП идет аналоговый сигнал, а на выходе его имеем последовательность цифровых значений. АЦП имеет огромное число различных характеристик, из них можно выделить такие как: разрешающая способность, абсолютную точность, предельная частота дискретизации и диапазон входных напряжений.
Разрешающая способность или разрешение – эта характеристика АЦП помогает различать два значения входного сигнала. Определяется как величина обратная наибольшему числу кодовых комбинаций АЦП на выходе. У нашего МК АЦП десяти разрядный, поэтому максимальное число возможных кодовых комбинаций будет равно 2 10 = 1024 , а его разрешающая способность равна 1/1024 от полной шкалы допустимых входных напряжений.
Для правильной работы АЦП требуется источник опорного напряжения (ИОН). По отношению к которому, АЦП измеряет сигналы поступающие на его вход. МК AVR позволяют в роли ИОН применять напряжение питания, их внутренний опорный источник на 2,56 В, а напряжение на выходе AREF (внешний ИОН).
Так как наша схема запитана от 5 В, тогда 1/1024 от всей шкалы получится 0,0048 В или около 5 мВ. С таким шагом АЦП будет определять уровень входного напряжения. Если два ближайших значения на входе преобразователя будут отличаться друг от друга на величину менее 5 мВ, АЦП будет считать равными. На практике разрешающая способность любого АЦП ограничена шумами.
Абсолютная точность АЦП это отклонение реального преобразования от идеального. Это составной результат нескольких погрешностей преобразователя. Математически описывается в количестве младших значащих разрядов (LSB). Максимальная абсолютная погрешность АЦП «Atmega8» равна 1.5 LSB. Для нашего случая абсолютная точность равна 2 × 5 мВ = ±10 мВ
Предельная частота дискретизации это есть быстродействие АЦП, которое измеряется в Гц или количестве выборок за секунду (SPS – samples per second). Для МК AVR она равна15 kSPS (килло семплов за секунду).
На порт В - МК AVR подключен типовой ЖК дисплей 16х2. Выводы AREF и AVCC подключены к питающему напряжению 5В. Это и есть ИОН. На порт С Atmega к нулевому разряду подключен контакт с вольтметром и переменным сопротивлением для изменения уровня входного напряжения. Наша задача в этом учебном примере следующая: Мы хотим вывести на ЖК экран величину напряжения, аналогичную измерению вольтметра.
Переходим к программированию запускаем новый проект в программе . В настройках Chip выбираем МК Atmega8, частоту выставляем 4,00000000 MHz. (см. пример с мигающим светодиодом). Переходим во вкладку LCD выбираем PORTB. И сохраняем проект под названием ADC (аббревиатура АЦП на забугорном языке). Вначале необходимо добавить две директивы препроцессора для работы с текстом и задержкой. Для этого после директивы LCD вставим две строки.
#include
#include
Первая строка необходима для задержек, а вторая для работы дисплея с текстом. Далее создаем массив для промежуточного хранения форматированного текста. После текста в коде, пишем.
Затем после открытия главной функции main, мы должны добавить еще две переменных. Одна из них используется для хранения значения после выборки, а другая для хранения выводимого на экран значения.
Теперь настроим сам АЦП. Для этого после настройка компаратора запишем следующее.
// Analog Comparator initialization
// Analog Comparator: Off
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;
ADMUX=0; // Первая строка, № порта.
ADCSR=0x85; // Вторая строка настройка АЦП.
(в двоичной системе x85=10000101)
Для того чтоб начать работу с АЦП у МК имеется регистр ADCSR. Вот, что в нем находится.
0-й бит ADPS0
Настройка частоты преобразования
1-й бит ADPS1 -/-/-
2-й бит ADPS2 -/-/-
3-й бит ADIE Разрешение прерывания
4-й бит ADIF Флаг прерывания
5-й бит ADFR Выбор работы АЦП. 1-непрерывный либо 0-по запуску ADSC
6-й бит ADSC Запуск преобразование 1-старт. После преобразования сбрасывается в ноль аппаратно.
7-й бит ADEN Разрешение работы АЦП 1-да 0-нет
Для включения в АЦП записываем 1 в 7-й разряд, 0 в 6-й, 5-й, 3-й и 4-й разряды. Теперь подбираем частоту, т.к у нас кварц на 4000 кГц, то нам его надо поделить (для стабильной работы АЦП его требуется тактировать частотой в диапазоне 50 кГц - 200 кГц), чуть ниже представлена таблица коэффициентов деления.
Возьмем коэффициент делителя на 32, получим частоту 125 кГц, что вполне достаточно для стабильной работы АЦП. Итак, в регистр ADCSR нам надо записать значение 10000101.
С настройками АЦП надеюсь понятно. Теперь давайте выведем в первой строке на экране наши намерения. Для этого после инициализации LCD дисплея запишем строчку. lcd_putsf("Work with ADC");
// LCD module initialization
lcd_init(16);
lcd_putsf("Work with ADC"); // Выводим запись
Теперь при старте программы В МК увидим эту надпись. Далее в бесконечном цикле пишем тело основной программы.
while (1)
{
delay_ms(20); // Задаем задержку в 20 миллисекунд
ADCSR |= 0x40; // Записываем 1 в ADSC
data = ADCW; // Вычитываем значение
V = (float) data*0.0048828; // Переводим в вольты
sprintf(string, "Data: %1.2f", V); // форматируем
lcd_gotoxy(0,1); // Выставляем курсор
lcd_puts(string); // Выводим значение
delay_ms(20);
задержку на 20 миллисекунд.
ADCSR |= 0x40;
битное ИЛИ. Число 0х40 в бинаре выглядит так 0b01000000. Если мы проведем по битное ИЛИ с 0х85 (0b10000101), то у нас в 6-й
разряд запишется 1. Для того, чтобы началось преобразование в 6-й разряд нужно записать 1. А после преобразование он сбросится в 0 аппаратно.
data = ADCW;
После преобразования микроконтроллер записывает полученное значение в ADCW. Вот оттуда мы его и возьмем
V = (float) data*0.0048828;
Преобразуем полученное значение в вольты, т.к ИОН=5В, а значение регистра 1024, то мы 5/1024=0.0048828 получим коэффициент напряжения. Минимальная величина напряжения будет при минимальном значении регистра ADCW. То есть если в нем будет значение 1, то напряжение
будет 0.0048828 В. Поэтому в строке, данные ADCW перемножаем на это значение - 0.0048828. Слово float в скобке используется для того чтобы преобразовать переменную data из целочисленной в вещественную с плавающей точкой.
sprintf(string, "Data: %1.2f", V);
Заносим значение напряжения в массив string с последующим форматированием. Сначала впишем Data: . После ставим знак процента. 1.2f - говорит о том что мы хотим вывести на экран один знак до запятой и два знака после, а буква f означает, что это значение вещественным с плавающей точкой.
lcd_gotoxy(0,1);
Курсор в нулевую позицию во второй строке.
lcd_puts(string);
Выводим значение на дисплей.
Перед тем как собрать проект нужно сделать небольшие настройки в CodeVisionAVR. В меню нажимаем "Project->Configure" и в открывшемся окне переходим во вкладку "C Compiler", затем в левом нижнем углу меняем значение (s)printf Features: с int, width на float, width, precision.
Результат работы программы на рисунке ниже:
Архив с проектом для CodeVisionAVR и Proteus вы можете скачать по зеленой ссылке выше. Затем распакуйте архив в корень диска С и проект можно запускать.
Основные особенности АЦП
Микроконтроллер stm32f1xx имеет на борту 3 12-ти разрядных АЦП. Каждое АЦП может быть подключено к любому из 16-ти аналоговых входов. Более того, каждое из АЦП может сканировать эти входы, снимая с них данные в заданном пользователем порядке.По окончании преобразования АЦП может выдать прерывание. Вообще АЦП может выдать одно из трёх прерываний: Об окончании преобразования обычного (регулярного) канала, об окончании преобразования по инжекторному каналу и событие по Watchdog.
В режиме сканирования прерывание об окончании преобразования выдаётся только по завершении всего сканирования. И при использовании регулярных каналов, в которых данные записываются всегда в один и тот же регистр, вы будете получать результаты только последнего преобразования.
Что бы этого не происходило, в микроконтроллере предусмотрено наличие так называемых инжекторных каналом, имеющих в своём наличии 4 разных регистра для записи данных. Т.е. если вам надо сканировать не более 4-х каналов, то результаты преобразований вы не потеряете. Т.к. каждый канал будет писать данные в свой регистр.
Для параллельного снятия данных сразу по нескольким каналам, предусмотрена возможность одновременного запуска нескольких АЦП. Данный режим получил название Dual Mode.
Подключение АЦП
Прежде всего рассмотрим подключение АЦП. Для чего нужна каждая ножка показано в таблице 1.Таблица 1
Из перечисленных ножек интересны -Vоп и +Vоп. Они определяют диапазон напряжений, воспринимаемых АЦП. Если подключить -Vоп к земле, а +Vоп к питанию, то АЦП сможет оцифровать аналоговые сигналы во всём диапазоне от 0, до питания. Т.к. питания МК составляет 3,3В, а разрядность АЦП равна 12-ти, т.е. мы имеем 2^12=4096 уровней квантовая, шум АЦП составит 3,3/4096=0,8 мВ.
Виды АЦП
В микроконтроллере существует 2 вида каналов АЦП: регулярные и инжекторные. Эти 2 канала настраиваются независимо. Но работать может только один из них для каждого канала. Основным различием этих каналов является то, что для хранения данных, получаемых с помощью регулярного канала используется только один регистр. Это не плохо, если вам надо снять за один раз данные только с одного канала для каждого АЦП. Но, если Вам надо производить сканирование данных, то все снятые данные будут записываться с один и тот же регистр. Т.о. при чтении данных в прерывании по окончании преобразования Вы будете получать только последние снятые данные. Эту проблему призваны исправить инжекторные каналы. У них предусмотрены 4 регистра для хранения данных. Т.е. Вы сможете хранить данные с 4-х каналов сканирования. Недостатком инжекторных каналов является несколько более сложная система настройки, в которой надо описать данные, с какого канала в какой регистр будут записаны.Настройка регулярного канала
Рассмотрим настройку регулярного канала АЦП. Настроим АЦП на ножке А4. Прежде всего, надо узнать какие АЦП имеют доступ к этой ножке и какие каналы на неё выведены. В частности это 4-й канал первого АЦП.Как обычно используем стандартную схему:
1) Включить тактирование порта
2) Настроить вывод
3) Включить тактирование АЦП
4) Настроить АЦП
5) Включить нужные прерывания
6) Включить глобальные прерывания
7) Включить АЦП
При настройке порта главное в режиме задать аналоговый режим.
Настройка вывода в аналоговом режиме
GPIO_InitTypeDef GPIO_Init_user;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_Init_user.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_Init_user.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
GPIO_Init_user.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init_user.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
GPIO_Init_user.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOA, & GPIO_Init_user);
Включаем тактирование АЦП:
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
Настраиваем АЦП:
Настройка регулярного канала АЦП
ADC_InitTypeDef ADC_InitType;
ADC_InitType.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitType.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitType.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;
ADC_InitType.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
ADC_InitType.ADC_NbrOfConversion = 1;
ADC_InitType.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
ADC_InitType.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitType);
Рассмотрим настройки подробнее:
ContinuousConvMode – Этот режим, если включен, запускает следующее преобразование сразу по окончании предыдущего. Так можно добиться максимальной скорости работы АЦП. В нашем случае это не надо и данная функция отключена.
DataAlign – выравнивание данных в 2-хбайтном слове. Есть 2 варианта. ADC_DataAlign_Right при котором данные выравниваются по правому краю, а неиспользуемые биты при этом равны нулю. Т.е. мы получаем обычные числа в 2-х байтах от 0 до 8192. При ADC_DataAlign_Left данные выравниваются по левому краю. Т.е. фактически для 12-ти битного преобразования они увеличиваются в 16 раз. Это может быть использовано например при передаче их через SPI, поддерживающий 12-ти битную передачу данных. Если настроить SPI на передачу начиная со старшего разряда. ExternalTrigConvEdge – настраивает запуск преобразования по какому либо событию, например переполнению таймера. В нашем случае не требуется.
ExternalTrigConv – Устанавливает какие именно события запустят АЦП. Т.к. триггер отключен, то эта функция не используется.
NbrOfConversion – число каналов, которые будет сканировать МК. Сюда записывается требуемое значение, а ниже, если это число больше 1 и ADC_ ScanConvMode=ENABLE, описывается какие каналы и в какой последовательности они будут сканироваться
ScanConvMode – Этот параметр определяет будет ли АЦП сканировать несколько каналов. Если этот режим включен, то АЦП будет последовательно оцифровывать данные с заданных каналов в заданной последовательности. И каналы и последовательность легко можно задать. Но возникает небольшая проблема со снятием данных.
Настраиваем конкретный канал. В нашем случае это всего один канал, потому настройка будет выглядеть так:
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_4,1, DC_SampleTime_56Cycles);
Из параметров тут:
ADC1 – номер настраиваемого АЦП.
ADC_Channel_4 задаёт снимаемый канал.
1 – так называемый rank. Показывает в каком порядке этот канал будет оцифровываться. В нашем случае канал один, потому и rank=1.
DC_SampleTime_56Cycles – задаёт за какое время будет произведена оцифровка. Чем медленнее, тем точнее.
Теперь осталось настроить прерывания и включить:
NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn);
ADC_ITConfig(ADC1, ADC_IT_EOC, ENABLE);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
На этом настройка закончена.
Чтобы запустить преобразование, используйте функцию:
ADC_SoftwareStartConv(ADC1);
По окончании преобразования программа попадёт в функцию прерывания:
Void ADC_IRQHandler(void)
{
ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC);
ADC_result = ADC_GetConversionValue(ADC1);
}
Сбрасываем флаг и считываем результат преобразования.
Можно скачать пример работы от
Урок 22
Часть 2
Изучаем АЦП
Сегодня мы продолжаем изучать очень интересную технологию, а для микроконтроллера — периферию — аналго-цифровой преобразователь или как его называют АЦП . В нашего занятия мы познакомились, что такое вообще АЦП, также познакомились, как он организован в контроллере AVR, а также создали новый проект и настроили его.
Дальнейшая задача — реализация АЦП в нашем проекта.
Ну и чтобы нам данную задачу выполнить, нам нужны будут определённые функции для обращения к АЦП контроллера.
Для этого зайдём в файл adc.c и создадим функцию инициализацию нашего АЦП
#include "adc.h"
//—————————————-
void ADC_Init ( void )
{
}
Также создадим на данную функцию прототип в хедер-файле adc.h для видимости её из внешних модулей, а также заодно и посмотрим всё содержимое данного файла
#ifndef ADC_H_
#define ADC_H_
#include "main.h"
void ADC_Init ( void );
#endif /* ADC_H_ */
Продолжим теперь заполнять кодом тело данной функции. Так как в мы хорошенечко ознакомились с регистрами, нам это особого труда не составит.
Начнем с управляющего регистра
void ADC_Init ( void )
ADCSRA |= (1<< ADEN )
|(1<< ADPS2 )|(1<< ADPS1 )|(1<< ADPS0 ); //Делитель 128 = 64 кГц
Это не две строки, а одна, так писать в студии можно и даже нужно, так как код становится понятнее. А одна, потому что нет символа конца строки — точки с запятой.
Здесь мы включили бит ADEN , тем самым включили вообще модуль АЦП, а также установили делитель на 128, тем самым, помня то, что частота тактирования у нас 8 МГц и разделив её значение на 128, мы получили работу АЦП на частоте 64 кГц, что вполне нормально и надёжно, до 200 граничных далеко. Как видим, ничего сложного в инициализации регистра нет.
Также ещё в данной функции нам необходимо выбрать канал, к которому мы будем подключать измеряемое напряжение. У нас судя по схеме канал 0, поэтому соответствующий MUX мы и включим. А соответствующий MUX — это все нули в данных битах, поэтому ничего-то и включать не надо. Но мы ещё помним, что в регистре ADMUX у нас помимо всего прочего есть и управляющие биты, а именно биты REFS1 и REFS0, с помощью которых мы установим в качестве источника опорного напряжения внутренний источник на 2,56 вольта, а ADLAR мы не используем
ADCSRA |= (1<< ADEN ) // Разрешение использования АЦП
|(1<< ADPS2 )|(1<< ADPS1 )|(1<< ADPS0 ); //Делитель 128 = 64 кГц
ADMUX |= (1<< REFS1 )|(1<< REFS0 ); //Внутренний Источник ОН 2,56в, вход ADC0
Ну вот, в принципе, и вся инициализация.
Вызовем эту функцию в главном модуле программы в функции main() где-нибудь вот тут
LCD_ini (); //Инициализируем дисплей
ADC_Init (); //Инициализируем АЦП
clearlcd (); //Очистим дисплей
Ну и также нам нужна будет в модуле adc.c ещё одна функция, которая будет инициализировать непосредственно начало процесса аналого-цифрового преобразования в нашем ADC
unsigned int ADC_convert ( void )
{
}
Само собой нужен будет в хедер-файле прототип на неё
void ADC_Init ( void );
unsigned int ADC_convert ( void );
Данная функция нам вернёт значение из регистровой пары ADC , которая и будет содержать величину нашего электрического сигнала в единицах, выражающих отношение измеряемого сигнала к опорному и умноженных на количество возможных отрезков, которых у нас 1023, ну или 1024. Насчёт этого ходят много слухов, но в технической документации на контроллер в расчетной формуле содержится именно 1024. Но это нам не так важно.
Включим преобразование с помощью бита ADSC
unsigned int ADC_convert ( void )
ADCSRA |= (1<< ADSC ); //Начинаем преобразование
Теперь нам надо как-то отследить тот момент, когда данное преобразование закончится. А делается это достаточно легко с помощью мониторинга того же бита ADSC, который по окончании процесса преобразования сам сбрасывается в 0 (When the conversion is complete, it returns to zero). Отслеживается данный бит с помощью условного цикла
ADCSRA |= (1<< ADSC ); //Начинаем преобразование
while (( ADCSRA & (1<< ADSC )));
Ну и по окончании вернём результат в виде беззнаковой величины
while (( ADCSRA & (1<< ADSC ))); //проверим закончилось ли аналого-цифровое преобразование
return ( unsigned int ) ADC ;
Вернёмся теперь в нашу главную функцию main() и создадим там локальную переменную для хранения результата преобразования для дальнейшей с ним работы
int main ( void )
unsigned int adc_value ;
Вызовем функцию преобразования, которая нам положит в нашу переменную результат преобразования
while (1)
adc_value = ADC_convert (); //Вызовем преобразование
Setpos (0,0);
Давайте сначала отобразим данную сырую величину, хотя бы посмотрим, что в ней есть. За основу мы пока возьмём код из наших часов, функция sprintf на помощь придёт в более поздних занятиях, время её пока не пришло и нам надо вообще понять, как преобразовываются символы. Это нам ой как пригодится в программировании светодиодных индикаторов
Setpos (0,0);
sendcharlcd ( adc_value /1000+0x30);
sendcharlcd (( adc_value %1000)/100+0x30); //Преобразуем число в код числа
sendcharlcd (( adc_value %100)/10+0x30); //Преобразуем число в код числа
sendcharlcd ( adc_value %10+0x30); //Преобразуем число в код числа
Delay_ms (500);
Здесь мы разбиваем по цифрам четырёхзначную величину.
Теперь мы соберём код, прошьём контроллер и посмотрим наши результаты, покрутив резистор на 10 килоом
Вот так вот оно всё и работает.
Теперь давайте ещё на дисплее попробуем отобразить всё в вольтах, чтобы определить, какое у нас всё-таки напряжение на центральном контакте нашего переменного резистора. Для этого создадим переменную плавающего типа
unsigned int adc_value ;
float n ;
Также забудем про существование функции sprintf и попробуем получить плавающий тип на дисплее программным путём. Для этого сначала преобразуем наш сырой результат в плавающий тип явным образом, то есть та же цифра будет, но только тип другой, не забыв, конечно, перед этим поставить курсор в нужное место на дисплее. Для этого существует понятие в языке СИ явного преобразования типов и разделим преобразованный результат на 400
sendcharlcd ( adc_value %10+0x30); //Преобразуем число в код числа
setpos (8,0);
n = ( float ) adc_value / 400;
Тут, конечно, возникает вопрос, а почему мы делим именно на 400. А вот почему.
Это ничто иное как 1024, разделённое на 2,56, то есть на наше опорное напряжение. Видимо, не зря разработчики контроллера выбрали именно такую величину опроного напряжения, чтобы всё делилось без остатка. Почему мы именно такое деление применяем. А потому что у нас есть формула в технической документации
Вот поэтому и мы и вычислили её самую последнюю часть. Осталось теперь лишь только перевернуть ещё наоборот, выразив отсюда входное напряжение, так как неизвестное у нас именно оно. И мы получим, что оно будет у нас равно ADC, делённому на 400, что мы, собственно и сделали выше в коде. Я думаю, всё предельно стало теперь всем понятно.
Осталось самое интересное — отобразить всё это на экран, зная, то.что мы не можем работать с дисплеем с плавающим типом. А оказывается всё просто. Всё решается вот таким кусочком кода
N = ( float ) adc_value / 400;
sendcharlcd (( unsigned char ) n +0x30); //Преобразуем число в код числа
sendcharlcd ("."); //Преобразуем число в код числа
sendcharlcd ((( unsigned char ) ( n *10))%10 +0x30); //Преобразуем число в код числа
sendcharlcd ((( unsigned char ) ( n *100))%10 +0x30); //Преобразуем число в код числа
Delay_ms (500);
Не пугайтесь, сейчас мы всё тут разрулим.
Сначала мы обратным преобразованием типов отсекаем вооще всю дробь и, зная, что дальше 9 мы не уйдём и у нас будет только одна цифра, да мы даже и дальше 2 тут не уйдём, у нас максимум 2,56, мы просто отображаем данную цифру.
Потом мы умножаем наш результат, преобразованный к плавающему типу на 10, тем самым, передвигаем запятую на один разряд в нём вправо и, преобразовав результат вычисления обратно в целочисленный тип, берём из него известным образом младшую цифру и отображаем её на дисплее после запятой.
Подобным образом поступим с цифрой следующей, только здесь мы умножаем результат на 100, что переносит в единицы уже вторую цифру после запятой. Можно продолжить дальше, но нам и двух цифр хватит.
Вот и всё!
Собираем код, прошиваем контроллер и смотрим наши интересные результаты, крутя наш резистор
Часто бывает потребность замерять напряжения. Для этих целей в микроконтроллере есть АЦП (аналого-цифровой преобразователь). АЦП - это устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в его цифровое представление. На вход АЦП подается аналоговый сигнал, а на выходе мы получаем эквивалентный цифровой сигнал.
Основные характеристики АЦП
- Частота преобразования - это сколько раз в секунду АЦП сможет измерить напряжение
- Разрядность - количество дискретных значений напряжения, на который делится весь рабочий диапазон входных напряжений. АЦП в AVR десяти разрядные. То есть, максимальное напряжение на входе АЦП будет переводиться в 2 10 =1024
- Диапазон входных напряжений - это минимальное и максимальное напряжение, которое можно подавать на входы АЦП. Для avr это диапазон от 0 до напряжения питания микроконтроллера
Нам для нашего вольтметра нужно установить источник опорного напряжения на ножке AVCC (ножка питание АЦП ), частота преобразования 500 килогерц
Мы наши измерения с АЦП будем выводить на lcd-дисплей, для его инициализации переходим во вкладку LCD и устанавливаем все, как на скриншоте
Теперь все настройки выполнены, кликаем file->Generate. save and exit . Дописываем код, который сгенерировал CWAVR, и убираем в нём инициализации периферии МК, которые мы не используем, получается следующий код:
#include
Программа готова, дело за схемой
Схема очень простая, на ней мы видим микроконтроллер atmega8 и lcd-дисплей знакосинтезирующий 16х2 (пример работы с lcd описан ). Наш простой вольтметр измеряет напряжения до 5 в. Как измерять напряжения больше 5 в Схема выполнена в Proteus, все необходимые файлы для этого урока находятся в архиве
Многие AVR
имеют на борту АЦП
последовательного приближения.
АЦП
это десятиразрядное, но при точности +/- 2 минимально значащих разрядов его можно смело считать восьмиразрядным:) Так как в младших двух разрядах всегда мусор какой то, не похожий на полезный сигнал. Тем не менее это неплохой инструмент для контроля напряжения, в восьмиразрядном режиме имеющий 256 отсчетов
и выдающее частоту дискретизации до 15кГц
(15 тысяч выборок в секунду).
Конфигурация источника
Сигнал в АЦП
подается через мультиплексор, с одного из восьми (в лучшем случае, часто бывает меньше) входов. Выбор входа осуществляется регистром ADMUX
, а точнее его битами MUX3…MUX0
. Записанное туда число определяет выбраный вход. Например, если MUX3..0
= 0100
, то подключен вывод ADC4
.
Кроме того, существует несколько служебных комбинаций битов MUX
, использующихся для калибровки.
Например, 1110
подключает к АЦП
внутренний источник опорного напряжения на 1.22 вольта
. А если записать в MUX3..0
все единицы, то АЦП
будет изнутри посажено на землю. Это полезно для выявления разных шумов и помех.
У старших AVR
семейства Mega
(8535, 16, 32, 128) есть возможность включить АЦП
в режиме дифференциального входа
. Это когда на два входа приходят разные напряжения. Одно вычитается из другого, да еще может умножаться на коэффициент усиления. Зачем это нужно? А, например, когда надо замерить перекос напряжения измерительного моста. У какого-нибудь тензомоста при входном напряжении в пять вольт выходные сигналы будут различаться между собой всего лишь 30мВ, вот и поймай его. А так подал на диф вход, подогнал нужный коэффициент усиления и красота!
Таблицу значений MUX3..0
для диф включения я не буду тут приводить, она находится легко в даташите, зовется она «Input Channel and Gain Selections
«. Я поясню лишь один тонкий момент. В режиме выбора диф входа встречаются такие комбинации как: первый вход ADC0 и второй вход тоже ADC0
ну и коэффициент усиления еще. Как так? Ведь для диф входа нужно два разных
входа! Вначале подумал опечатка, поднял даташит на другую АВРку — та же ботва. Потом повтыкал в текст ниже и понял — это для калибровки нуля. Т.е. перед началом съема диф данных нам нужно закоротить входы, чтобы понять, что же у нас ноль. Так вот, комбинация когда два входа подключены к одной ноге это и есть та самая калибровочная закоротка входов. Делаешь первое преобразование на такой фигне, получаешь смещение нуля
. А потом вычитаешь его из всех полученных значений, что резко повышает точность.
Мультиплексирование каналов осуществляется только после того, как завершится преобразование, поэтому можно смело запускать АЦП
на обсчет входных значений, записывать в MUX3..0 параметры другого входа, и готовится снимать данные уже оттуда.
Выбор опорного сигнала
Это максимальное напряжение, которое будет взято за максимум при измерениях. Опорное напряжение должно быть как можно стабильней, без помех и колебаний — от этого кардинальным образом зависит точность работы АЦП
. Задается он в битах REFS1..0
регистра ADMUX
.
- По дефолту там стоит REFS1..0 = 00 — внешний ИОН , подключенный к входу AREF . Это может быть напряжение со специальной микросхемы опорного напряжения, или же со стабилитрона какого, если нужно замерять небольшое напряжение, заметно меньшее чем напряжение питания, скажем от 0 до 1 вольт, то чтобы было точнее, и чтобы оно не затерялось на фоне пятивольтового питания, то на AREF мы заводим опорное напряжение в 1 вольт.
- REFS1..0 = 01 — тут просто берется напряжение питания. У всех почти Мег с АЦП есть вход AVCC — вот это напряжение питания для AЦП и порта на который это АЦП повешено. Подавать туда плюс питания желательно через LC фильтр, чтобы не было искажений.
- REFS1..0 = 11 — внутренний источник опорного напряжения на 2.56 вольт . Честно говоря, качество этого источника мне сильно не понравилось. С ним показания АЦП плавают как говно в проруби. Но если невозможно обеспечить гладкую и стабильную подачу напряжения на AREF или AVCC то прокатит. Кстати, внутренний ИОН подключен к выводу AREF так что можно повесить туда кондер и попробовать его чуть чуть сгладить. Немного, но помогает.
В регистре SFIOR под АЦП отведено аж три бита. ADTS2..0 которые управляют режимами запуска АЦП .
- По дефолту ADTS2..0 = 000 и это значит, что преобразование идет в непрерывном режиме. Ну или по ручному запуску.
- ADTS2..0 = 001 — запуск АЦП от аналогового компаратора. Удобно блин. Например, чтобы не замерять постоянно входную величину, а запрограммировать компаратор на то, что как только у него вылезет что-либо выше порога, так тут же захватывать это дело на АЦП .
- ADTS2..0 = 010 — запуск от внешнего прерывания INT0
- ADTS2..0 = 011 — по совпадению таймера T0
- ADTS2..0 = 100 — по переполнению таймера Т0
- ADTS2..0 = 101 — по совпадению с таймера Т1
- ADTS2..0 = 110 — По переполнению таймера Т1
- ADTS2..0 = 111 — По событию «захват» таймера Т1
Частота выборки АЦП задается в битах предделителя ADPS2…0 регистра ADCSR . Саму таблицу можно поглядеть в даташите на соответствующий МК, скажу лишь то, что самая оптимальная точность работы модуля АЦП находится в пределах 50…200кГц , поэтому предделитель стоит настраивать исходя из этих соображений. С повышением частоты точность падает.
Прерывания.
Естественно у АЦП
есть прерывания. В данном случае это прерывание по окончанию преобразования. Его можно разрешить битом ADIE
, а внаглую вручную палится оно по флагу ADIF
(регистр ADCSRA
). Флаг ADIF
автоматом снимается при уходе на вектор прерывания по АЦП
.
Данные с АЦП
сваливаются в регистровую пару ADCH:ADCL
откуда их можно забрать. Причем тут есть один прикольный момент. Регистровая пара то у нас ведь 16ти разрядная, а АЦП
имеет разрядность 10бит
. В итоге, лишь один регистр занят полностью, а второй занимает лишь оставшиеся два бита. Так вот, выравнивание может быть как по правому краю — старшие два бита в ADCH
, а младшие в ADCL
, либо по левому — старшие биты в ADCH
, а два младших бита в ADCL
.
[x][x][x][x][x][x]: или : [x][x][x][x][x][x]
Зачем это сделано? А это выборка разрядности так оригинально организована. Как я уже говорил, в младших разрядах все равно мусор и шумы (по крайней мере я от них так и не смог избавиться, как ни старался) . Так вот. Делаем выравнивание по левому краю. И загребаем старшие разряды только из регистра ADCH , а на младший забиваем. Итого, у нас число отсчетов становится 256. За выравнивание отвечает бит ADLAR в регистре ADMUX 0 — выравнивание по правой границе, 1 — по левой.
Запуск преобразования в ручном или непрерывном режиме.
Для запуска преобразования нужно вначале разрешить работу ADC
, установкой бита ADEN
в регистре ADCSR
и в том же регистре ткнуть в бит ADSC
. Для запуска непрерывного преобразование (одно за другим) нужно также выставить бит ADFR
(ADATE
в некоторых AVR
).
Повышение точности уходом в спячку.
Для повышения точности, чтобы внутренние цепи АЦП
не гадили своими шумами, можно запустить АЦП
в спящем режиме
. Т.е. проц останавливается, все замирает. Работает только WatchDog
и блок АЦП
. Как только данные сосчитаются, генерируется прерывание которое будит процессор, он уходит на обработчик прерывания от АЦП
и дальше все своим чередом.
А теперь приведу парочку примеров простой инициализации и работы с АЦП . Микроконтроллер ATMega16
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 | < |
; Мой любимый макрос для записи в порты:))))
.MACRO outi
LDI R16,@1
OUT @0,R16
.ENDM
; ADC Init - Инициализурем АЦП. Это можно сунуть куда - нибудь в начало кода
OUTI ADCSRA,(1<
А что дальше делать? А ничего! Сидеть и ждать прерывания!
Когда оно придет процессор кинет на вектор и дальше уже можно либо переписать данные из ADCH:ADCL
в другое место, либо какую простенькую обработку тут же, не отходя от кассы, замутить. Вроде усреднения.
Вариант два, с уходом в спячку. В принципе, все то же самое, только нужно выключить автоматический перезапуск конвертирования. Далее в регистре MCUCR
в битах SM2..0
выбрать режим ADC Noise Reduction SM2..0 = 001
, а после, сразу же после запуска послать процессор в спячку командой SLEEP
. Как только он уснет заработает АЦП,
сделает преобразование и проснется на прерывании.
Выглядит это так:
; ADC Init - Инициализурем АЦП. Это можно сунуть куда - нибудь в начало кода
OUTI ADMUX,0b01000101
;А тут выбираем откуда брать будем сигнал;REFS -- 0b000101 первые два бита - напряжение с входа AVCC
;ADLAR --0b0100101следующий бит выравнивание по правому краю;MUX -- 0b010Сигнал на вход идет с 5й ноги.
OUTI MCUCR,0b10010000
; Выставил биты спящего режима в Noise Reduction
; А это уже тело главной программы
Main Prog:
OUTI ADCSRA,(1< Ну и, для повышения точности, следует соблюдать ряд правил по подключению питания к АЦП
модулю, например подавать напряжение на вход AVCC
через дроссель, ставить конденсаторы и земли побольше вокруг. Об этом все есть в даташите. Я же скоро выложу пример рабочей программы — примера для АЦП
и UART
.
