RT-Thread-基于RoboMasterC型开发板的RT-Thread使用分享（五）ADC测量电压实验RT-Thread问答社区

基于RoboMasterC型开发板的RT-Thread使用分享（五）ADC测量电压实验

发布于 2023-01-09 17:45:43 浏览：962 订阅该版

[tocm]

本次我们来讲一下ADC（Analog-to-Digital Converter）不是游戏里的AD Carry，我们将实现电池电压的读取。

### ADC简介

*****

ADC的全称为Analog-to-Digital Converter（模拟/数字转换器）。

在单片机中传输的信号均为数字信号，通过离散的高低电平表示数字逻辑的 1 和 0，但是在现实的物理世界中只存在模拟信号，即连续变化的信号。将这些连续变化的信号——比如热，光，声音，速度通过各种传感器转化成连续的电信号，再通过 ADC 功能将连续的模拟信号转化成离散的数字信号给单片机进行处理。

常见的ADC类型有并联比较型、逐次逼近型。它们的特点如下

| ADC电路类型 | 优点             | 缺点                     |
| ----------- | ---------------- | ------------------------ |
| 并联比较型  | 转换速度最快     | 成本高、功耗高、分辨率低 |
| 逐次逼近型  | 结构简单，功耗低 | 转换速度较慢             |

ADC有两个重要参数，分辨率和转换速率。

**分辨率**：每一个ADC模块都会明确他的分辨率，通过bit来表示，一般的是8bit,10bit,12bit,16bit，24bit.bit越大，说明分辨率越高。

**采样率**：采样率就是ADC 采样的速率。它是指在规定的时间内可以采集的次数，采样率越高，采集到的点数就越多，那么对原始信号的还原率就越高。采样率的单位是SPS(sample per sencond),每秒采样次数。这个值越大，采样速度越快。

下面简单的讲一下这两种ADC的工作原理

更喜欢看视频的朋友可以看一下这个视频，这个up的视频讲的都通俗易懂的。不过有时候上面难免有一些错误，建议开着弹幕看。

[极其的巧妙设计！模拟转数字信号！5分钟让你看明白！ADC的工作原理，_哔哩哔哩_bilibili](https://www.bilibili.com/video/BV1BV4y1V7nE/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=a189d61cdd7d4ed6c863087f5aaff9d2)

#### 并联比较型

这个也是比较容易理解的一种。下图为并联比较型ADC的工作原理图。

![screenshot_50bb89d4e8290.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/b766eaf8e77a5b77ebb542da54fa78fc.jpg)

它分为分压部分、比较部分、编码部分。

一开始的一排电阻均为等阻值的电阻，它们将VREF（参考电压）进行均分，也就代表这个该ADC的精度，电阻分压后的电压（Vr）我们将其接到比较器的。图中V1为我们的待测电压，当V1<Vr时比较器输出0，当V1>Vr时比较器输出1。比如我们这个假设VREF为15V，V1为1.2V。那么在最下面的比较器中Vr为1V，V1>Vr，比较器输出1，第二个比较器中Vr为3V，V1<Vr，比较器输出0，以此类推。

之后我们在每个比较器后加上D触发器，当我们把C（控制端）至1后，我们给D输入1，则Q输入1，输入0，则Q输出0。这里我们先给C1，此时比较器输出的结果就被存储到锁存器中。然后再置0，那么无论我们的输入电压V1怎样变，Q输出的值都不变，也就保存了输出值。这里我们改变控制C的速度很大程度决定了最大采样率，当然最大采样率还受比较器等器件最大频率的限制。

但是这里输出的还不是二进制数，因此我们需要后面加一个编码器进行编码。上面就是并联比较型原理的简单描述。

这里我们也可以看出，并联比较型的缺点就是精度想要提升就必须增加相应的电阻、比较器、触发器。这样会增加物料成本与体积。但是优点就是速度很快。

#### 逐级比较型

下图为逐级比较型ADC的工作示意图，我们使用的STM32F4也是使用的这种ADC。

![screenshot_逐次逼近.drawio.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/d821b1749204fc5a83ea137ece43ed4e.png)

它可以分为控制电路、数码寄存器、D/A转换器、电压比较器四个部分

首先第一步在数码寄存器进行编码，将高位D2编码置1，其他位置0，之后进入D/A转换器，将编码出来的数字量转变为模拟量V0。之后V0和输入电压Vx到比较器进行比较。如果Vx大于V0，比较器输出1，那么控制电路就会将高位D2锁定不变，之后将D1置1进行第二轮比较。如果此时Vx还是大于V0我们也就说明了我们V0的值更加接近Vx。我们将D0置1继续进行第三轮比较，比如Vx还是比V0大那么说明Vx大于了ADC的量程，如果Vx<V0那么就输出110。

这里给出另一个图方便大家理解

1. 与 1/2Vref 进行比较，Vin 大于 1/2Vref，则将第一位标记为 1
2. 与 3/4Vref 进行比较，Vin 小于 3/4Vref，则将第二位标记为 0
3. 与 5/8Vref 进行比较，Vin 小于 5/8Vref，则将第三位标记为 0。

图中的 Vin 通过这个三位的 ADC 后输出的结果为 100，转换的结果为 1/2Vref。

![screenshot_image-20230108004820877.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/5670da12a8ce5f91d03d21f8135dac04.png)

这里我们看出由于它需要逐次逼近因此它的转换速度是比较慢的。而且它的分辨率和采样速度相互矛盾，分辨率越高，采样速率就越低。

关于ADC相关知识好像在信号与系统课上会更深的了解，作者是物联网专业的，没学过这类课程，就不展开介绍了🐶

### CubeMX配置

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虽然这里bsp文件已经将我们需要的ADC1,ADC3开启了，但是这里还是带着大家学习一遍，便于大家使用其他STM32板子时快速配置。

首先还是看原理图

![screenshot_image-20230108005929915.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/c7fd981448d6d91646578e6b9080ed71.png)

这里可以看到电源ADC引脚为PF10，使用ADC3的通道8。

我们需要开启ADC1和ADC3，ADC1在此处作用为读取STM32内部的1.2V校准电压Vrefint，这个操作在芯片内部实现没有对应引脚。

![screenshot_image-20230108011603667.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/70ef2bd8d7d037adca222cec66536905.png.webp)

ADC1的具体配置如下

![screenshot_image-20230108012322531.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/ec7033fa4b5bc7e43d1de2488e560d5a.png.webp)

下表简单描述一下CuebMX中ADC设置中的功能。

| 名称                          | 功能                                                        |
| ----------------------------- | ----------------------------------------------------------- |
| Clock Prescaler               | 设置采样时钟频率                                            |
| Resolution                    | 设置采样精度                                                |
| Data Alignment                | 设置数据对齐方式                                            |
| Scan Conversion Mode          | 扫描转换模式开启/关闭                                       |
| Continuous Conversion Mode    | 连续转换模式开启/关闭                                       |
| Discontinuous Conversion Mode | 非连续转换模式开启/关闭                                     |
| DMA Continuous Requests       | DMA连续启动开启/关闭                                        |
| End of Conversion Selection   | 每个通道转换结束后发送EOC标志/所有通道转换结束后发送EOC标志 |

ADC3开启通道8，具体配置如ADC1一样。

![screenshot_image-20230108014105499.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/82df02ff56a62f22e8e6d4ed7fc23b01.png.webp)

这里我们为什么需要使用ADC1的VREFINT呢？

VREFINT是ADC的内部参照电压1.2V，一般来说在STM32我们会使用Vcc作为Vref，但是实际情况中Vcc可能存在较大波动导致Vref不稳定最终使得ADC采样值不准确，因此我们使用已有的1.2V内部参考电压先行进行多次采样，计算平均值。将其与ADC采样得出的值进行对比，计算出偏移的比例，得到单位数字电压对应的模拟电压值。

### 程序编写

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首先在RT-Thread Settings组件中打开ADC设备驱动程序

![screenshot_image-20230109152913721.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/9747f33036c0542e033b79d9ee16313e.png.webp)

之后在硬件中打开ADC1与ADC3

![screenshot_image-20230109153040041.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/f8b535a5f81a7e79aaee75640e833afd.png.webp)

新建一个app_adc.c文件

在使能设备之后有几点需要我们注意

我们需要采样内部参考电压1.2V200次，取平均值并计算单位数字电压对应的模拟电压值

```C
/* 采样内部参考电压200次  */
    for(int i=0;i<200;i++)
    {
        totalvalue+=rt_adc_read(adc_ref,ADC_REF_CHANNEL);
    }
    /* 计算单位数字电压对应的模拟电压值  */
    voltage_vrefint_proportion=200*1.2f/totalvalue;
```

之后我们对ADC3通道8进行采样，这里有两个点需要注意

```c
    /* 读取采样值 */
    value = rt_adc_read(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
    rt_kprintf("the value is :%d \n", value);

/* 转换为对应电压值 */
    vol=(double)value*voltage_vrefint_proportion*1009.0909090909090909090909090909f;
    rt_kprintf("the voltage is :%d.%02d \n", vol / 100, vol % 100);
```

我们重新看一下原理图，我们这里采样的是分压电路分压之后的值，因此我们需要计算出分压之前的值才为我们所需的电池电压。通过如下计算我们需要乘以10.09
$$
(22K Ω + 200K Ω) / 22K Ω = 10.09
$$

![screenshot_image-20230108005929915.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/c7fd981448d6d91646578e6b9080ed71.png)

并且RT-Thread中rt_kprintf是不能打印出浮点数的，如果是浮点数的话就不会打印出来，这个我之前也踩过坑，有两个办法，一是修改rt_kprintf函数实现，但是printf作为一个可重入的函数，打印浮点数是不安全的。因此我这里选择方法二，我们想要保留小数点后两位，那么我们就将值*100，之后在打印时再将值/100作为整数部分，值%100作为小数部分，如下所示。

```c
rt_kprintf("the voltage is :%d.%02d \n", vol / 100, vol % 100);
```

完整代码如下，实现功能为输入adc_vol_sample，输出实际读取到的转换的原始数据和经过计算后的实际电压值。

```c
/*
 * Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2023-01-09     Goldengrandpa       the first version
 */
#include <rtthread.h>
#include <rtdevice.h>
#define ADC_REF_NAME        "adc1"      /* ADC 内部参考电压设备名称 */
#define ADC_REF_CHANNEL     17
#define ADC_DEV_NAME        "adc3"      /* ADC 设备名称 */
#define ADC_DEV_CHANNEL     8           /* ADC 通道 */

static int adc_vol_sample(int argc, char *argv[])
{
    rt_adc_device_t adc_ref;
    rt_adc_device_t adc_dev;
    rt_uint32_t totalvalue;
    rt_uint32_t value, vol;
    double voltage_vrefint_proportion;
    rt_err_t ret = RT_EOK;
    /* 查找设备 */
    adc_ref = (rt_adc_device_t) rt_device_find(ADC_REF_NAME);
    if (adc_ref == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("adc sample run failed! can't find %s device!\n", ADC_REF_NAME);
        return RT_ERROR;
    }
    adc_dev = (rt_adc_device_t) rt_device_find(ADC_DEV_NAME);
    if (adc_dev == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("adc sample run failed! can't find %s device!\n", ADC_DEV_NAME);
        return RT_ERROR;
    }
    /* 使能设备 */
    ret = rt_adc_enable(adc_ref, ADC_REF_CHANNEL);
    ret = rt_adc_enable(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
    /* 采样内部参考电压200次  */
    for(int i=0;i<200;i++)
    {
        totalvalue+=rt_adc_read(adc_ref,ADC_REF_CHANNEL);
    }
    /* 计算单位数字电压对应的模拟电压值  */
    voltage_vrefint_proportion=200*1.2f/totalvalue;
    /* 读取采样值 */
    value = rt_adc_read(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);
    rt_kprintf("the value is :%d \n", value);

/* 转换为对应电压值 */
    vol=(double)value*voltage_vrefint_proportion*1009.0909090909090909090909090909f;
    rt_kprintf("the voltage is :%d.%02d \n", vol / 100, vol % 100);

/* 关闭通道 */
    ret = rt_adc_disable(adc_dev, ADC_DEV_CHANNEL);

return ret;
}
/* 导出到 msh 命令列表中 */
MSH_CMD_EXPORT(adc_vol_sample, adc voltage convert sample);

```

硬件连接如下，这里使用的是大疆的6s电池，输出电压24V。

![screenshot_image-20230109161839911.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/8092bff68f798168bb21d590c23cd50c.png.webp)

由于电池基本要没电了因此计算出来的电压为22.39V偏小属于正常现象。

![screenshot_image-20230109161708242.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20230109/36a2ec82e00f8a7c5172d70feaa7644f.png.webp)

### 往期教程

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[RT-Thread-基于RoboMasterC型开发板的RT-Thread使用分享（一）RT-Thread问答社区 - RT-Thread](https://club.rt-thread.org/ask/article/09dffc578f32d85d.html)

[RT-Thread-基于RoboMasterC型开发板的RT-Thread使用分享（二）RT-Thread问答社区 - RT-Thread](https://club.rt-thread.org/ask/article/2240be90085f3b35.html)

[RT-Thread-基于RoboMasterC型开发板的RT-Thread使用分享（三）RT-Thread问答社区 - RT-Thread](https://club.rt-thread.org/ask/article/46b79ff6792d3ec5.html)