Включение ацп. AVR. Учебный курс. Использование АЦП. Выбираем АПЦ с необходимым нам принципом работы
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь (ADC- Analog-to-Digital Converter). Преобразует некий аналоговый сигнал в цифровой. Битность АЦП определяет точность преобразования сигнала. Время преобразования – соответственно скорость работы АЦП. АЦП встроен во многих микроконтроллерах семейства AVR и упрощает использование микроконтроллера во всяких схемах регулирования, где требуется оцифровывать некий аналоговый сигнал.
Рассмотрим принцип работы АЦП . Для преобразования нужен источник опорного напряжения и собственно напряжение, которое мы хотим оцифровать (напряжение, которое преобразуется должно быть меньше опорного). Также нужен регистр, где будет храниться преобразованное значение, назовем его Z . Входное напряжение = Опорное напряжение*Z/2^N, где N – битность АЦП . Условимся, что этот регистр, как у ATmega8, 10-ти битный. Преобразование в нашем случае проходит в 10 стадий. Старший бит Z9 выставляется в единицу. Далее генерируется напряжение (Опорное напряжение*Z/1024) , это напряжение, с помощью аналогового компаратора сравнивается с входным, если оно больше входного, бит Z9 становиться равным нулю, а если меньше – остается единицей. Далее переходим к биту Z8 и вышеописанным способом получаем его значения. После того, как вычисление регистра Z окончено, выставляется некий флаг, который сигнализирует, что преобразование закончено и можно считывать полученное значение. На точность преобразования могут очень сильно влиять наводки и помехи, а также скорость преобразования. Чем медленнее происходит преобразования – тем оно точней. С наводками и помехами следует бороться с помощью индуктивности и емкости, как советует производитель в даташите:
В микроконтроллерах AVR
как источник опорного напряжения может использоваться вывод AREF
, или внутренние источники 2,56В или 1,23В. Также источником опорного напряжения может быть напряжение питания. В некоторых корпусах и моделях микроконтроллеров есть отдельные выводы для питания АЦП: AVCC
и AGND
. Выводы ADCn
– каналы АЦП
. С какого канала будет оцифровываться сигнал можно выбрать с помощью мультиплексора.
Теперь продемонстрируем примером сказанное выше. Соорудим макет, который будет работать как вольтметр с цифровой шкалой. Условимся, что максимальное измеряемое напряжение будет 10В. Также пусть наш макет выводит на ЖКИ содержимое регистра ADC
.
Для увеличения кликните на схему.
Обвязка микроконтроллера и ЖКИ WH1602A стандартна. X1 – кварцевый резонатор на 4 Мгц, конденсаторы С1,С2 – 18-20 пФ. R1-C7 цепочка на выводе reset по 10 кОм и 0,1 мкФ соответственно. Сигнальный светодиод D1 и ограничивающий резистор R2 200 Ом и R3 – 20 Ом. Регулировка контраста ЖКИ – VR1 на 10 кОм. Источник опорного напряжения мы будем использовать встроенный на 2,56В. С помощью делителя R4-R5 мы добьемся максимального напряжения 2,5В на входе PC0 , при напряжении на щупе 10В. R4 – 3 кОм, R5 – 1 кОм, в их номиналу нужно отнестись тщательно, но если не возможности подобрать точно такие, можно сделать любой резистивный делитель 1:4 и программно подкорректировать показания, если это потребуется. Дроссель на 10мкГн и конденсатор на 0,1 мкФ для устранения шумов и наводок на АЦП на схеме не показан. Их наличие подразумевается само собой, если используется АЦП . Теперь дело за программой:
{codecitation style="brush: xml;"} #include
#define RS 2 //RS=PD2
#define E 3 //E=PD3
#define TIME 10 //Константа временной задержки для ЖКИ
//Частота тактирование МК - 4Мгц
#define R_division 3.837524 //=R4/R5 константа
Unsigned int u=0; //Глобальная переменная с содержимым преобразования
Void pause (unsigned int a)
{
unsigned int i;
for (i=a;i>0;i--);
}
Void lcd_com (unsigned char lcd) //Передача команды ЖКИ
{
unsigned char temp;
Temp=(lcd&~(1<
PORTD=temp&~(1<
temp=((lcd*16)&~(1<
asm("nop"); //Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации
PORTD=temp&~(1<
pause(10*TIME); //Пауза для выполнения команды
}
Void lcd_dat (unsigned char lcd) //Запись данных в ЖКИ
{
unsigned char temp;
Temp=(lcd|(1<
asm("nop"); //Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации
PORTD=temp&~(1<
temp=((lcd*16)|(1<
asm("nop"); //Небольшая задержка в 1 такт МК, для стабилизации
PORTD=temp&~(1<
pause(TIME); //Пауза для вывода данных
}
Void lcd_init (void) //Иниализация ЖКИ
{
lcd_com(0x2c); //4-проводный интерфейс, 5x8 размер символа
pause(100*TIME);
lcd_com(0x0c); //Показать изображение, курсор не показывать
pause(100*TIME);
lcd_com(0x01); //Очистить DDRAM и установить курсор на 0x00
pause (100*TIME);
}
Unsigned int getADC(void) //Считывание АЦП
{ unsigned int v;
ADCSRA|=(1<
while ((ADCSRA&_BV(ADIF))==0x00) //Дождатся окончания преобразования
;
V=(ADCL|ADCH<<8); br=""> return v;
}
Void write_data (unsigned int u)
{ unsigned char i;
double voltage=0;
Lcd_com(0x84); //Вывод регистра ADC на ЖКИ
for (i=0;i<10;i++) br=""> if ((u&_BV(9-i))==0x00) lcd_dat (0x30);
else lcd_dat (0x31);
Lcd_com(0xc2);
voltage= R_division*2.56*u*1.024; //Расчет напряжения
I=voltage/10000; //Выведение напряжения на ЖКИ
voltage=voltage-i*10000;
if (i!=0) lcd_dat(0x30+i);
I=voltage/1000;
voltage=voltage-i*1000;
lcd_dat(0x30+i);
I=voltage/100;
voltage=voltage-i*100;
lcd_dat(0x30+i);
I=voltage/10;
voltage=voltage-i*10;
lcd_dat(0x30+i);
Lcd_dat("v");
}
Int main(void)
{
DDRD=0xfc;
Pause(3000); //Задержка для включения ЖКИ
lcd_init(); //Инициализация ЖКИ
Lcd_dat("A"); //Пишем "ADC=" и "U=" на ЖКИ
lcd_dat("D");
lcd_dat("C");
lcd_dat("=");
lcd_com(0xc0);
lcd_dat("U");
lcd_dat("=");
ADCSRA=(1<
ADMUX=(1<
While(1)
{
u=getADC(); //Считываем данные
write_data(u); //Выводим их на ЖКИ
pause(30000);
}
Return 1;
}
Программа проста. В начале мы инициализируем порты ввода/вывода. Для того, чтобы служить входом АЦП
, пин PC0
должен работать на вход. Далее проводим инициализацию ЖКИ
и АЦП
. Инициализация АЦП
заключается в его включении битом ADEN
в регистре ADCSRA
. И выбора частоты преобразования битами ADPS2, ADPS1, ADPS0
в том же регистре. Также выбираем источник опорного напряжения, биты REFS1 REFS0
в регистре ADMUX
и вход АЦП
: биты MUX0,MUX1,MUX2, MUX3
(в нашем случаем входом АЦП
является PC0
, поэтому MUX0.3=0
). Далее, в вечном цикле, начинаем преобразования установкой бита ADSC
в регистре ADCSRA
. Дожидаемся окончания преобразования (бит ADIF
в ADCSRA
становиться равным 1). Далее вынимаем данные из регистра ADC
и выводим их на ЖКИ
. Вынимать данные из ADC
нужно в такой последовательности: v=(ADCL+ADCH*256);
если использовать v=(ADCH*256+ADCL);
- в упор не работает. Также есть хитрость, чтобы не работать с дробными числами. Когда производиться вычисления входного напряжения в вольтах. Мы просто будем хранить наше напряжения в милливольтах. Например, значение переменной voltage
4234 означает, что мы имеем 4,234 вольта. Вообще операции с дробными числами кушают очень много памяти микроконтроллера (наша прошивка вольтметра весит чуть больше 4 килобай, это половина памяти программ ATmega8
!), их рекомендуется использовать только при особой необходимости. Вычисления входного напряжения в милливольтах просто: voltage=R_division*2.56*u*1.024;
Здесь R_division
– коефициент резистивного делителя R4-R5
. Так, как реальный коефициент делителя может отличаться от расчетного, то наш вольтметр будет врать. Но подкорректировать это просто. С помощью тестера меряем некое напряжение, получаем X
вольт, а наш вольтметр пускай показывает Y
вольт. Тогда R_division = 4*X/Y
, если Y больше X
и 4*Y/X
если X больше Y
. На этом настройка вольтметра завершена, и им можно пользоваться.
Скачать прошивку в виде проекта под AVR Studio 4.
Как работает вольтметр можно ознакомиться на видео:
Также можно доработать свой блок питания. Вставив в него цифровой вольтметр-амперметр на ЖКИ и защиту от перегрузки (для измерения тока нам понадобиться мощный шунт сопротивлением порядка 1 Ом).
В свой блок питания я встроил еще защиту от перегрузки, когда ток превышает 2А, то пьезо пищалка начинает усердно пищать, сигнализируя о перегрузке:
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
Микроконтроллер общается с внешним миром посредством портов ввода/вывода. В общем случае он может “воспринимать” только цифровые сигналы – логический ноль или логическую единицу. Например, для микроконтроллера ATmega8535 при напряжении питания 5 В логический ноль – это напряжение от 0 до 1,3 В, а логическая единица – от 1,8 до 5 В. Довольно часто возникает потребность измерять напряжения, которые могут принимать любое значение в диапазоне от 0 до напряжения питания. Для этих целей в составе микроконтроллеров AVR есть аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Не вдаваясь в подробности внутреннего устройства АЦП, представим его в виде черного ящика. На вход АЦП подается непрерывный аналоговый сигнал, а на выходе получается последовательность цифровых значений . АЦП имеет много характеристик, но в качестве основных можно назвать разрешающую способность, абсолютную точность, предельную частоту дискретизации и диапазон входных напряжений.
Разрешающая способность (разрешение) – это способность АЦП различать два значения входного сигнала. Определяется как величина обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. У AVRа АЦП 10-ти разрядный. Максимальное число кодовых комбинаций будет равно 2 10 = 1024. Разрешающая способность равна 1/1024 от всей шкалы допустимых входных напряжений.
Для работы АЦП необходим источник опорного напряжения (ИОН). Для него это эталон, по отношению к которому он измеряет входные сигналы. Микроконтроллеры AVR позволяют в качестве ИОНа использовать напряжение питания, внутренний опорный источник на 2,56 В и напряжение на выводе AREF (внешний ИОН).
Напряжение питания в нашей схеме 5 В, тогда 1/1024 от всей шкалы это 5 * 1/1024 = 0,0048 В или примерно 5 мВ. С таким шагом (это называется шаг квантования) АЦП будет измерять входное напряжение. Если два ближайших значения сигнала на входе АЦП будут отличаться между собой на величину < 5 мВ, АЦП воспримет их как одинаковые. На практике разрешающая способность АЦП ограничена его шумами.
Абсолютная точность – отклонение реального преобразования от идеального. Это составной результат нескольких погрешностей АЦП. Выражается в количестве младших значащих разрядов (LSB - least significant bit) АЦП. Для AVRа абсолютная погрешность АЦП = ±2LSB. Для нашего примера абсолютная точность будет равна 2 * 5 мВ = ±10 мВ.
Предельная частота дискретизации определяет быстродействие АЦП и измеряется в герцах или количестве выборок в секунду (SPS – samples per second). Для микроконтроллеров AVR эта величина равна 15 kSPS (килло семплов в секунду). Практически АЦП AVRа работает и быстрее, но при этом его точность ухудшается.
Теорема Котельникова (теорема Найквиста-Шеннона, теорема о выборке) гласит, что аналоговый сигнал имеющий ограниченный спектр, может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, если частота выборки (дискретизации) превышает максимальную частоту спектра сигнала более чем в 2 раза. Выражаясь по-простому - если вам нужно оцифровать аналоговый сигнал с полосой спектра 0 - 7 КГц, то в идеальном случае частота дискретизации должна быть > удвоенной максимальной частоты спектра этого сигнала, то есть > 14 КГц. На практике все намного сложнее. Перед входом АЦП всегда ставят НЧ фильтр, чтобы ограничить спектр сигнала, а частота дискретизации выбирается еще более высокой.
Диапазон входных напряжений – это минимальное и максимальное значение напряжения, которое можно подавать на вход АЦП. Для микроконтроллера AVR он равен 0 – Vcc (напряжение питания)
Если сравнить АЦП с линейкой, то минимальное и максимальное значение шкалы - диапазон входных напряжений, количество делений линейки– число кодовых комбинаций (число уровней квантования), расстояние между двумя соседними делениями - шаг квантования, а шаг квантования деленный на диапазон входных напряжений – разрешающая способность.
Пояснения к схеме
Для знакомства с модулем АЦП микроконтроллера AVR я выбрал простую, но интересную схему. Взгляните на рисунок. Четыре кнопки подключены к делителю напряжения (резисторы R8…R11). При нажатии они коммутируют на вход нулевого канала АЦП разные напряжения. Измеряя эти напряжения в прерывании АЦП и определяя в какой диапазон они попадают, микроконтроллер будет распознавать номер нажатой кнопки.
Резистор R7 нужен чтобы вход АЦП не “болтался в воздухе”, когда все кнопки отпущены. Если этого не сделать АЦП будет ловить помехи. Номинал резистора R7 выбран большим, чтобы не оказывать влияние на делитель напряжения.
R6 и C7 - низкочастотный фильтр для защита от дребезга кнопок и помех. (Вообще НЧ фильтры перед АЦП обычно используются для защиты от такого явления как наложение, но это отдельная история). Дополнительно резистор R6 играет функцию токоограничения, без него при нажатии кнопки S4 вывод микроконтроллера напрямую соединялся бы с плюсом питания. А это нежелательно.
Для индикации номера нажатой кнопки в схеме используются 4 светодиода.
Микроконтроллер - ATMega8535. Описание регистров АЦП ниже по тексту приводится именно для него. Для других микроконтроллеров могут быть некоторые отличия.
Задача
Для приведенной выше схемы, написать программу определяющую номер нажатой кнопки.
Алгоритм программы такой:
Основная программа
Инициализация портов
Инициализация АЦП
Разрешение прерываний
Бесконечный цикл
{
Если кнопка нажата, зажечь нужный светодиод
Если нет, погасить все светодиоды
}
Обработчик прерывания АЦП
Считать напряжение на входе АЦП
Определить в какой диапазон оно попадает
Записать номер кнопки в буфер
Начальный код программы
//программирование микроконтроллеров AVR на Си - осваиваем АЦП
#include#include
//макрос для запуска преобразования
#define
StartConvAdc() ADCSRA |= (1<
int
main(void
)
{
ADMUX = (0<
//вкл. ацп, режим одиночного преобр., разрешение прерывания,частота преобр. = FCPU/128
ADCSRA = (1<
__enable_interrupt
();
StartConvAdc();
while
(1)
{
}
return
0;
}
#pragma vector=ADC_vect
__interrupt void adc_my(void )
{
unsigned char AdcBuf = ADCH;
//какой-нибудь код
StartConvAdc();
}
Пояснения к коду
Макрос для запуска преобразования
StartConvAdc() – это макрос для запуска преобразования АЦП. Он устанавливает бит ADSC в регистре управления и состояния ADCSRA.
Инициализация АЦПЧтобы запустить модуль АЦП, его нужно предварительно настроить. За это отвечают три регистра:
Регистр управления мультиплексором - ADMUX
Регистр управления и состояния - ADCSRA
Регистр специальных функций - SFIOR
Регистр ADMUX
Модулю АЦП для работы нужен источник опорного напряжения (ИОН). За выбор ИОНа отвечают биты REFS1, REFS0. В нашем случае опорное напряжение это напряжение питания (именно поэтому мы завели вывод AVcc на +5В) поэтому REFS1 - 0, REFS0 - 1
АЦП микроконтроллера AVR 10-ти разрядный, а сам камень 8-ми. Поэтому результат преобразования хранится в двух регистрах (ADCH, ADCL). Бит ADLAR задает направление выравнивания результата преобразования. 0 – выравнивание вправо (в ADCH заняты 2 младших бита, ADCL занят весь), 1 – выравнивание влево (ADCH занят весь, в ADCL только 2 старших бита). В нашем примере не требуется высокой точности преобразования, поэтому было бы удобно выровнять результат влево и работать только с регистром ADCH. Устанавливаем ADLAR - 1
Чисто физически в микроконтроллере AVR всего один АЦП. Но перед ним стоит мультиплексор, который позволяет подключать любой из 8-ми выводов порта к входу АЦП. Номер выбранного в данный момент канала задается битами ADMUX3, ADMUX2, ADMUX1, ADMUX0. Мы используем нулевой канал, поэтому все биты равны 0.
//ион - напряжение питания, выравнивание влево, нулевой канал
Регистр ADCSRA
Чтобы АЦП заработал его надо включить, то есть установить бит ADEN – 1 Запуск преобразования осуществляется установкой бита ADSC -1. Во время инициализации мы не будем запускать АЦП, поэтому ADSC – 0 АЦП может работать в двух режимах: одиночное преобразование - когда каждое преобразование запускается программно и непрерывное - когда преобразование запускается один раз программно, а перезапускается автоматически. В нашем примере преобразование одиночное, бит ADATE – 0. Когда АЦП закончил преобразование, он подает запрос на прерывание. Чтобы разрешить прерывание нужно установить бит ADIE – 1 Модулю АЦП для работы требуется тактовый сигнал. Он формируется из тактового сигнала микроконтроллера путем деления на фиксированные коэффициенты. Для установки коэффициентов предделителя предназначены биты ADSP2, ADSP1, ADSP0. Поскольку мы будем опрашивать с помощью АЦП кнопки, а это очень медленное устройство, выбираем самый большой коэффициент (то есть самую низкую частоту). Все биты в 1. //вкл. ацп, режим одиночного преобр., разрешение прерывания, F преобр. = FCPU/128
Про все биты рассказал, кроме ADIF. ADIF - это флаг прерывания. Он устанавливается аппаратно, когда преобразование завершено. Регистр SFIOR
Биты ADTS2, ADTS1, ADTS0 определяют источник, запускающий процедуру преобразования. Устанавливать эти биты нужно только в режиме непрерывного преобразования. У нас режим одиночный, поэтому регистр не трогаем. #pragma
vector=ADC_vect //какой-нибудь код
АЦП — Аналого-цифровой преобразователь. Из названия можно догадаться, что на вход подается аналоговый сигнал, который преобразуется в число. Первое о чем нужно сказать — АЦП микроконтроллера умеет измерять только напряжение. Чтобы произвести измерение других физических величин, их нужно вначале преобразовать в напряжение. Сигнал всегда измеряется относительно точки называемой опорное напряжение, эта же точка является максимумом который можно измерить. В качестве источника опорного напряжения (ИОН), рекомендуется выбирать высокостабильный источник напряжения, иначе все измерения будут плясать вместе с опорным. Одной из важнейших характеристик является разрешающая способность, которая влияет на точность измерения. Весь диапазон измерения разбивается на части. Минимум ноль, максимум напряжение ИОН. Для 8 битного АЦП это 2^8=256 значений, для 10 битного 2^10=1024 значения. Таким образом, чем выше разрядность тем точнее можно измерять сигнал. Допустим вы измеряете сигнал от 0 до 10В. Микроконтроллер используем Atmega8, с 10 битным АЦП. Это значит что диапазон 10В будет разделен на 1024 значений. 10В/1024=0,0097В — с таким шагом мы сможем измерять напряжение. Но учтите, что микроконтроллер будет считать, величину 0.0097, 0.0098, 0.0099… одинаковыми. Тем не менее шаг в 0,01 это достаточно неплохо. Однако, есть несколько рекомендаций, без которых эта точность не будет соблюдена, например для измерения с точностью 10бит, частота на которой работает АЦП должна быть 50-200 кГц. Первое преобразование занимает 25 циклов и 13 циклов далее. Таким образом, при частоте 200кГц мы сможем максимум выжать В качестве источника опорного напряжения можно использовать внутренний источник и внешний. Напряжение внутреннего источника (2,3-2,7В) не рекомендуется использовать, по причине низкой стабильности. Внешний источник подключается к ножке AVCC или Aref, в зависимости от настроек программы. При использовании АЦП ножка AVCC должна быть подключена. Напряжение AVCC не должно отличаться от напряжения питания микроконтроллера более чем на 0,3В. Как было сказано, максимальное измеряемое напряжение равно опорному напряжению(Vref), находится оно в диапазоне 2В-AVCC. Таким образом, микроконтроллер не может измерить более 5В. Чтобы расширить диапазон измерения, нужно измерять сигнал через делитель напряжения. Например, максимальное измеряемое напряжение 10В, опорное напряжение 5В. Чтобы расширить диапазон измерения, нужно уменьшить измеряемый сигнал в 2 раза. Формула для расчета делителя выглядит так: U вых = U вх R 2 /(R 1 + R 2)
Подставим наши значения в формулу: 5 = 10*R2/(R1+R2) т.е. можно взять любые два одинаковых резистора и подключить их по схеме Следовательно, когда мы измеряем напряжение через делитель, нужно полученное значение АЦП умножить на коэффициент=Uвых/Uвх. Полная формула вычисления измеряемого напряжения будет выглядеть так: Пример: опорное 5В, измеренное значение АЦП = 512, коэффициент делителя =2, АЦП 10разрядный. (5*512*2)/1024=5В — реальное измеренное значение напряжения. Некоторые программисты пишут программу так, чтобы микроконтроллер автоматически вычислял коэффициент делителя, для этого выходной сигнал измеряют образцовым прибором и заносят это значение в программу. Микроконтроллер сам соотносит истинное напряжение каждому значению АЦП, сам процесс однократный и носит название калибровки. Перейдем к программной реализации. Создаем проект с указанными параметрами. Также подключим дисплей на порт D для отображения информации. Измерение будет производиться в автоматическом режиме, обработка кода в прерывании, опорное напряжение подключаем к ножке AVCC. По сути нам нужно только обрабатывать получаемые данные. Измеренные данные хранятся в переменной adc_data. Если нужно опрашивать несколько каналов, то выбираем какие каналы сканировать, а данные будут для ножки 0 в adc_data, для ножки 1 в adc_data и т.д. В основном цикле добавим строки: result=((5.00*adc_data)/1024.00); //пересчитываем значение АЦП в вольты Небольшое замечание, чтобы использовать числа с плавающей точкой, нужно в настройках проекта изменить (s)printf Features: int, width на float, width, precision. Если этого не сделать десятые и сотые мы не увидим. Таким образом, мы всего лишь перевели значение АЦП в вольты и вывели на дисплей. Результат в протеусе выглядит так: Резистором можно менять напряжение, измеряемое напряжение выведено на дисплей. При сборке на реальном железе к ножке Aref нужно подключить конденсатор на 0,1мкФ. Урок получился немного сложным, но думаю он вам понравится. Файл протеуса и прошивка: Update:
Возможно, будет полезно почитать:
ADMUX = (0<
ADCSRA = (1<
__interrupt
void
adc_my(void
)
{
unsigned char
AdcBuf = ADCH;
200 000/13 = 15 384 измерений.
U=(опорное напряжение*значение АЦП*коэффициент делителя)/число разрядов АЦП
sprintf(lcd_buffer,»U=%.2fV»,result); //помещаем во временную переменную результат
lcd_puts(lcd_buffer); //выводим на экран
Измерение тока: