第二十四章 ADC实验
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。
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-保持威廉希尔官方网站
中完成，量化和编码通常在ADC数字编码威廉希尔官方网站
中完成。
24.1.2 ESP32-S3ADC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
1. 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。
2. LED闪烁，指示程序正在运行。
24.2.2 硬件资源
1. LED
LED - IO1
2. XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
3. 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）
4. 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：
#include " esp_adc_cal.h"
#include " driver/adc"
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：
esp_err_t adc_digi_controller_configure(const adc_digi_configuration_t *config); 该函数的形参描述，如下表所示：
| |
| 指向ADC配置结构体的指针 需自行定义，并根据ADC的配置参数填充结构体中的成员变量 |
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：
| 成员变量 | |
adc_digi_pattern_config_t | atten: 配置ADC衰减程度，adc_atten_t结构体为索引 | ADC_ATTEN_DB_0，输入电压0-1.1V ADC_ATTEN_DB_2_5，输入电压0-1.5V ADC_ATTEN_DB_6，输入电压0-2.2V ADC_ATTEN_DB_11，输入电压0-3.3V |
channel: 配置ADC通道，adc1_channel_t结构体为索引 | ADC1_CHANNEL_0 , ADC1_CHANNEL_1, ADC1_CHANNEL_2, ADC1_CHANNEL_3, ADC1_CHANNEL_4, ADC1_CHANNEL_5, ADC1_CHANNEL_6, ADC1_CHANNEL_7, |
unit: 配置ADC单元，adc_unit_t结构体为索引 | |
bit_width: 配置ADC位宽，adc_bitwidth_t结构体为索引 | ADC_BITWIDTH_DEFAULT ADC_BITWIDTH_9 ADC_BITWIDTH_10 ADC_BITWIDTH_11 ADC_BITWIDTH_12 ADC_BITWIDTH_13 |
表24.3.2.2 adc_digi_pattern_config_t结构体参数值描述
| 成员变量 | |
| adc_pattern: 配置将要使用的每个ADC参数 | 无，该参数为结构体指针，当adc_digi_pattern_config_t结构体成员配置完成后，以指针的方式将参数传递至adc_pattern这一成员中 |
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：
int adc1_get_raw(adc1_channel_t channel);
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
/* ADC采集通道定义 */
#define ADC_ADCX_CHY ADC1_CHANNEL_7
2，adc.c文件
/**
* @retval 无
*/
void adc_init(void)
{
adc_digi_pattern_config_t adc1_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 */
}
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：
/**
* @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_t adc_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 */
}
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：
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)
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。
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);
}
}
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
