【GD32H757Z海棠派開發(fā)板使用手冊(cè)】第八講 ADC-規(guī)則組多通道采樣實(shí)驗(yàn)

8.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

• ADC的簡介
• GD32FH757 ADC工作原理
• DMA和DMAMUX的原理
• 規(guī)則組多通道循環(huán)采樣

8.1.1ADC原理

我們知道，自然界中有非常多的模擬信號(hào)，比如光照強(qiáng)度，還有其他的例如溫度、聲音等等，那么人們是怎么來衡量一個(gè)模擬信號(hào)的呢？

我們通常會(huì)說今天光照度達(dá)到了3萬Lux（照度單位），現(xiàn)在測(cè)量到的體溫是36.5℃，我們所處的環(huán)境是40分貝，沒錯(cuò)，人們就是通過將這些模擬信號(hào)數(shù)字化，從而達(dá)到衡量這些模擬信號(hào)的目的。那對(duì)于MCU來說，如果要測(cè)量一個(gè)模擬量，可以通過自帶的ADC（Analog-to-Digital converters）模塊，即模-數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為可以被MCU讀取到的數(shù)字量。

8.1.2GD32H757 ADC工作原理

GD32H757有3個(gè)逐次逼近型ADC（SAR ADC），其中ADC1最大有效位為14bit，有20個(gè)外部通道，一個(gè)內(nèi)部通道（DAC_OUT0通道）；ADC1最大有效位為14bit，有18個(gè)外部通道，3個(gè)內(nèi)部通道（電池電壓（VBAT）通道、 參考電壓輸入通道（VREFINT） 和DAC_OUT1通道）；ADC2最大有效位為12bit， 有17個(gè)外部通道，4個(gè)內(nèi)部通道（電池電壓（VBAT）通道、 參考電壓輸入通道（VREFINT）、內(nèi)部溫度傳感通道（VSENSE）和高精度溫度傳感器通道（VSENSE2））。

這三個(gè)ADC可以獨(dú)立工作，也可以讓ADC0和ADC1工作在同步模式下。有最多42個(gè)外部ADC引腳可用于將連接到這些引腳的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這些引腳號(hào)可以通過Datasheet獲得。

以下總結(jié)了GD32H757 ADC的特性：

• 高性能：

– ADC采樣分辨率：ADC0/1可配置14位、12位、10位或者8位分辨率，ADC2可配置12位、10位、8位或者6位分辨率；

– ADC0/1采樣率：14位分辨率為4 MSPs，12位分辨率為4.5 MSPs，10位分辨率為5.14 MSPs，8位分辨率為6 MSPs。分辨率越低，轉(zhuǎn)換越快；

– ADC2采樣率：12位分辨率為5.3 MSPs，10位分辨率為6.15 MSPs，8位分辨率為7.27 MSPs，6位分辨率為8.89 MSPs。分辨率越低，轉(zhuǎn)換越快；

–前置校準(zhǔn)時(shí)間：131個(gè)ADC時(shí)鐘周期；

–可編程采樣時(shí)間；

–數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式：最高有效位對(duì)齊和最低有效位對(duì)齊；

– DMA請(qǐng)求。

• 模擬輸入通道：

– ADC0有20個(gè)外部模擬輸入通道，ADC1有18個(gè)外部模擬輸入通道，ADC2有17個(gè)外部模擬輸入通道；

– 1個(gè)內(nèi)部溫度傳感通道（VSENSE）；

– 1個(gè)內(nèi)部參考電壓輸入通道（VREFINT）；

– 1個(gè)外部監(jiān)測(cè)電池VBAT供電引腳輸入通道；

– 1個(gè)內(nèi)部高精度溫度傳感器通道（VSENSE2）；

–與DAC內(nèi)部通道連接。

• 轉(zhuǎn)換開始的發(fā)起：

–軟件；

– TRIGSEL觸發(fā)。

• 運(yùn)行模式：

–轉(zhuǎn)換單個(gè)通道，或者掃描一序列的通道；

–單次運(yùn)行模式，每次觸發(fā)轉(zhuǎn)換一次選擇的輸入通道；

–連續(xù)運(yùn)行模式，連續(xù)轉(zhuǎn)換所選擇的輸入通道；

–間斷運(yùn)行模式；

–同步模式（適用于具有兩個(gè)或多個(gè)ADC的設(shè)備）。

• 轉(zhuǎn)換結(jié)果閾值監(jiān)測(cè)器功能： 模擬看門狗。
• 常規(guī)序列轉(zhuǎn)換結(jié)束、模擬看門狗事件和溢出事件都可以產(chǎn)生中斷。
• 過采樣：

– ADC0/1為32位的數(shù)據(jù)寄存器，ADC2為16位數(shù)據(jù)寄存器；

– ADC0/1可調(diào)整的過采樣率，從2x到1024x，ADC2可調(diào)整的過采樣率，從2x到256x；

– ADC0/1高達(dá)11位的可編程數(shù)據(jù)移位，ADC2為8位的可編程數(shù)據(jù)移位，。

• ADC0/1供電要求：1.8V到3.6V，一般電源電壓為3.3V，ADC2供電要求：1.71V到3.6V，一般電源電壓為3.3V；
• 通道輸入范圍： VREF- ≤VIN ≤VREF+；
• 數(shù)據(jù)可以路由到HPDF進(jìn)行后期處理。

下面介紹下GD32H757的ADC框圖：

標(biāo)注1：輸入電壓和參考電壓

輸入電壓引腳定義如下表：

GD32H757的ADC是14/12bit有效位的，14bit滿量程對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換值為16383,12bit為4095，以14bit為例，當(dāng)采樣引腳上的電壓等于ADC參考電壓時(shí)，得到的轉(zhuǎn)換值即為16383。故理論采樣是指可通過以下公式得到：

采樣數(shù)值=實(shí)際電壓/參考電壓*16383

標(biāo)注2：輸入通道

前面提到，ADC0有20個(gè)外部模擬輸入通道，ADC1有18個(gè)外部模擬輸入通道，ADC2有17個(gè)外部模擬輸入通道。其中外部通道可以通過Datasheet進(jìn)行查詢。

標(biāo)注3：規(guī)則組

GD32H757的ADC轉(zhuǎn)換組稱為規(guī)則組，也叫常規(guī)序列。

規(guī)則組有三個(gè)重要的參數(shù)，其一為轉(zhuǎn)換的個(gè)數(shù)，其二為轉(zhuǎn)換的序列，其三為轉(zhuǎn)換周期，規(guī)定好這三個(gè)參數(shù)后，一旦開始規(guī)則組的轉(zhuǎn)換，則ADC就按照轉(zhuǎn)換序列一個(gè)一個(gè)的進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，直到達(dá)到要求的轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)。

規(guī)則組的轉(zhuǎn)換個(gè)數(shù)由ADC_RSQ0寄存器的RL[3:0]位規(guī)定，轉(zhuǎn)換的總數(shù)目為RL[3:0]+1，轉(zhuǎn)換總數(shù)目最大為16個(gè)；轉(zhuǎn)換序列和轉(zhuǎn)換周期由ADC_RSQ0~ADC_RSQ8共同決定，我們以RSQ8寄存器為例來看下：

ADC_RSQ0寄存器:

舉個(gè)例子，現(xiàn)需要按照CH3->CH2->CH1的順序進(jìn)行規(guī)則組轉(zhuǎn)換，則設(shè)定RL[3:0] = 2，然后設(shè)定RSQ0為2(CH3)，RSQ1為1(CH2)，RSQ2為0(CH1)，則當(dāng)

開始規(guī)則組轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC首先進(jìn)行RSQ0規(guī)定的通道即CH3的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行RSQ1規(guī)定的通道即CH2的轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行RSQ2規(guī)定的通道即CH1轉(zhuǎn)換，當(dāng)這三個(gè)通道轉(zhuǎn)換完后，規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束。

需要注意的是，每轉(zhuǎn)換一個(gè)規(guī)則組通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果都會(huì)放在寄存器ADC_RDATA中，所以CPU一定要在下一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完成前將上一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)果讀走，否則會(huì)導(dǎo)致上一個(gè)通道數(shù)據(jù)被新的數(shù)據(jù)覆蓋。所以在多通道規(guī)則組轉(zhuǎn)換時(shí)，為了保證能讀到所有通道的數(shù)據(jù)，一定要使用DMA（直接存儲(chǔ)器訪問控制器），每個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，都會(huì)給DMA發(fā)送請(qǐng)求，DMA就會(huì)將最新的ADC_RDATA中的數(shù)據(jù)搬走。關(guān)于ADC配合DMA的使用，后面會(huì)詳細(xì)介紹。

標(biāo)注4：觸發(fā)源

ADC的規(guī)則組需要選特定的觸發(fā)源用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，注意，ADC的Enable（即ADC_CTL1寄存器的ADC_ON位置“1”）不會(huì)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，而是當(dāng)選定的觸發(fā)源來臨后ADC才開始轉(zhuǎn)換。

觸發(fā)源分為內(nèi)部觸發(fā)和外部觸發(fā)，內(nèi)部觸發(fā)是指軟件觸發(fā)；外部觸發(fā)源是除了內(nèi)部觸發(fā)源以外的觸發(fā)源，外部觸發(fā)源可以通過TRISEL選擇。TRIGSEL觸發(fā)相關(guān)內(nèi)容，請(qǐng)讀者參考GD32H7系列用戶手冊(cè)TRIGSEL章節(jié)。

標(biāo)注5：規(guī)則組數(shù)據(jù)寄存器

如標(biāo)注3規(guī)則組的表述，每個(gè)ADC的規(guī)則組只有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器ADC_RDATA，每轉(zhuǎn)換一個(gè)通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果放在這個(gè)寄存器中，在下一通道轉(zhuǎn)換結(jié)束前必須要將上一個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果取走。

標(biāo)注6：ADC中斷及標(biāo)志位

ADC的中斷總共有兩種：規(guī)則組轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷以及模擬看門狗，可以通過將ADC_CTL0中的EOCIE、WDE0IE、WDE2IE、WDE2IE置“1”來開啟相應(yīng)中斷。

ADC_STAT寄存器中的EOC和WDE0,1,2表示相應(yīng)事件發(fā)生，EOC置“1”表示規(guī)則組的轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束。

8.1.3DMA原理

本實(shí)驗(yàn)中ADC通道有兩個(gè)，分別為PC2_C和PC3_C，所以我們用規(guī)則組多通道采樣實(shí)現(xiàn)雙電壓讀取，從上一節(jié)內(nèi)容中可以知道，ADC規(guī)則組實(shí)現(xiàn)多通道轉(zhuǎn)換時(shí)，必須要用到DMA。下面我們介紹下DMA原理。

DMA（直接存儲(chǔ)器訪問控制器）是一個(gè)非常好用的外設(shè)，它提供了一種硬件的方式在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)，而無需CPU的介入，從而使CPU可以專注在處理其他系統(tǒng)功能上。GD32H757有兩個(gè)DMA，其中DMA0有8個(gè)通道，DMA1也有8個(gè)通道。

GD32H757支持DMA的單一傳輸和多拍傳輸模式。這里只講解單一傳輸。DMA實(shí)現(xiàn)很簡單，只要配置好以下幾要素即可。

1. 源地址和目標(biāo)地址：DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)過程為從源地址讀取到數(shù)據(jù)，再搬運(yùn)到目標(biāo)地址。本實(shí)驗(yàn)中，需要把ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果搬運(yùn)到自定義的buffer中，所以源地址就要設(shè)置為ADCx_RDATA寄存器地址，目標(biāo)地址為buffer地址。
2. 源和目標(biāo)的地址增量方式：地址增量方式有固定模式和增量模式兩種，固定模式是指進(jìn)行一次DMA搬運(yùn)后，下次搬運(yùn)的源地址或目標(biāo)地址保持不變；增量模式指進(jìn)行一次DMA搬運(yùn)后，下次搬運(yùn)的源地址或目標(biāo)地址會(huì)加1。本實(shí)驗(yàn)中，源地址始終都應(yīng)該為ADCx_RDATA地址，所以源地址增量方式需要設(shè)置為固定模式，而目標(biāo)地址為自定義buffer，我們需要用buffer[0]存儲(chǔ)x軸數(shù)據(jù)，buffer[1]存儲(chǔ)y軸數(shù)據(jù)，所以目標(biāo)地址增量方式需要設(shè)置為增量模式。
3. DMA傳輸方向：DMA傳輸方向有三種，分別為外設(shè)地址->存儲(chǔ)器地址、存儲(chǔ)器地址->外設(shè)地址以及存儲(chǔ)器->存儲(chǔ)器。本實(shí)驗(yàn)中源地址是外設(shè)地址，目標(biāo)地址為自定義buffer地址即存儲(chǔ)器地址，故傳輸方向需設(shè)置為外設(shè)地址->存儲(chǔ)器地址。
4. 源和目標(biāo)數(shù)據(jù)位寬：源和目標(biāo)數(shù)據(jù)位寬表示每次搬運(yùn)的數(shù)據(jù)長度，可以設(shè)置為8bit、16bit和32bit。本實(shí)驗(yàn)中ADC的數(shù)據(jù)只占用ADCx_RDATA寄存器的低半字即16bit，所以源和目標(biāo)位寬選擇16bit即可。
5. DMA傳輸個(gè)數(shù)和循環(huán)模式：傳輸個(gè)數(shù)表示一輪DMA傳輸可以搬運(yùn)的次數(shù)。循環(huán)模式表示當(dāng)一輪DMA傳輸結(jié)束后，是否直接進(jìn)行下一輪搬運(yùn)，當(dāng)開啟循環(huán)模式后，當(dāng)上一輪DMA傳輸結(jié)束后，源地址和目標(biāo)地址會(huì)恢復(fù)到最開始的狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)中，需要轉(zhuǎn)換2個(gè)通道ADC，故DMA傳輸個(gè)數(shù)設(shè)置為2，循環(huán)模式開啟。
6. DMA通道優(yōu)先級(jí)：DMA的每個(gè)通道都有一個(gè)軟件優(yōu)先級(jí)，當(dāng)DMA控制器在同一時(shí)間接收到多個(gè)外設(shè)請(qǐng)求時(shí)，仲裁器將根據(jù)外設(shè)請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)來決定響應(yīng)哪一個(gè)外設(shè)請(qǐng)求。優(yōu)先級(jí)包括軟件優(yōu)先級(jí)和硬件優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)規(guī)則如下：
   軟件優(yōu)先級(jí)：分為4級(jí)，低，中，高和極高。可以通過寄存器DMA_CHxCTL的PRIO位域來配置。
   硬件優(yōu)先級(jí)：當(dāng)通道具有相同的軟件優(yōu)先級(jí)時(shí)，編號(hào)低的通道優(yōu)先級(jí)高。例：通道0和通道2配置為相同的軟件優(yōu)先級(jí)時(shí)，通道0的優(yōu)先級(jí)高于通道2。

上面描述了DMA配置的一些要素，那么DMA是如何被觸發(fā)的呢，這里就要講到另外一個(gè)外設(shè)：DMAMUX。

8.1.4DMAMUX原理

我們來看下DMA系統(tǒng)架構(gòu)：

我們可以看到，DMA0/1的每個(gè)通道都有一個(gè)輸入源Peri_reqx，而這些輸入源則是由DMAMUX輸出。下圖為DMAMUX的框圖：

將以上兩個(gè)圖放在一起看就更好理解：

可以看到DMAMUX的請(qǐng)求路由器總共有16個(gè)通道，其中通道0~7用于DMA0的通道0~7；通道8~15用于DMA1的通道0~7。

那么請(qǐng)求路由器的觸發(fā)源是什么呢？這個(gè)可以通過GD32H7用戶手冊(cè)DMAMUX章節(jié)中查出。比如本實(shí)驗(yàn)中使用PC2_C和PC3_C進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，從datasheet中查出這兩個(gè)引腳分別對(duì)應(yīng)為ADC2_IN0和ADC2_IN1：

所以DMAMUX的請(qǐng)求路由器觸發(fā)源選擇ADC2即可，下圖為DMAMUX請(qǐng)求輸入源輸入信號(hào)表部分截圖：

講到這里可能有的讀者，特別是用過GD前期產(chǎn)品（如GD32F3/F4系列）的讀者就會(huì)有疑問了，如果DMA用于ADC2，我需要選擇哪個(gè)DMA通道呢？答案就是：任意一個(gè)沒有被使用的通道即可！因?yàn)镚D32H7產(chǎn)品的DMA通道沒有綁定到特定外設(shè)上，所以只需要選擇任意一個(gè)沒有被使用的通道就可以了，這種設(shè)計(jì)方式，讓DMA的使用更加的靈活方便。

8.2硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是使用PC2_C和PC3_C來進(jìn)行電壓采集，讀者可以采用飛線方式外接電壓到這兩個(gè)引腳進(jìn)行測(cè)試。

8.3代碼解析

本實(shí)驗(yàn)用到兩個(gè)ADC2通道，使用ADC2規(guī)則組搭配DMA1通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和搬運(yùn)，ADC2規(guī)則組和DMA1通道0都開啟循環(huán)模式，一旦開始ADC2規(guī)則組轉(zhuǎn)換，會(huì)持續(xù)PC2_C和PC3_C上的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)搬運(yùn)。

8.3.1DMA和ADC初始化

在driver_adc.c中定義driver_adc_regular_ch_dma_config函數(shù)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)DMA和ADC的初始化。

ADC初始化函數(shù)定義如下：

在driver_adc.h中聲明了ADC DMA的結(jié)構(gòu)體：

這段代碼比較簡單，請(qǐng)讀者按照前面介紹的DMA原理進(jìn)行解析。

8.3.2BSP_ADC設(shè)置所需要的參數(shù)及IO口結(jié)構(gòu)體定義

在bsp_adc.c中，對(duì)BSP_ADC設(shè)置所需要的參數(shù)及IO擴(kuò)結(jié)構(gòu)體數(shù)組進(jìn)行了定義：

8.3.3BSP_ ADC初始化和觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)

在bsp_adc.c中定義了DMA和ADC初始化和觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的函數(shù)：

8.3.4main函數(shù)實(shí)現(xiàn)

本例程main函數(shù)首先進(jìn)行了延時(shí)函數(shù)初始化，為了演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這里初始化了BOARD_UART串口，關(guān)于串口的使用，請(qǐng)讀者參考串口章節(jié)，然后是BSP_ADC配置。在主循環(huán)中，每100ms打印一次PC2_C和PC3_C的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

8.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如上main函數(shù)實(shí)現(xiàn)說明。

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