SAM4E单片机之旅——18、通过AFEC(ADC)获取输入的电压

很多时候，一个电压不仅仅需要定性（高电平或者低电平），而且要定量（了解具体电压的数值）。这个时候就可以用到模数转换器（ADC）了。这次的内容是测量开发板搭载的滑动变阻器（VR1）的电压，然后把ADC转换的结果通过UART打印出来。同时，也简单介绍了校准的方法。

SAM4E芯片中，ADC是由AFEC管理的。同时，AFEC可以使用一个多路复用器以选择需要转换的信号的通道，也可以通过平均多次ADC转换的结果以提高转换精确度。

一、 电路图

通过顺时针方向旋转该变阻器，PB1引脚电压将变大，其电压变化范围为0—3.3V。使用的AFEC为AFEC0，通道编号为5。

通过JP3可以选择参考电压的大小。默认情况下，参考电压为3.3 V。

需要注意的是，而在JP3短接2、3脚时，参考电压为3.0 V。

二、 ADC电气特性

该AFEC有效的时钟范围为1—20 MHz，最大采样频率是1 MHz。同时也需记下启动、跟踪、设置等时间，这在使用AFEC时会用到。另外，传送时间在芯片手册中没有详细说明，只说明将TRANSFER字段设置为1。

由于需要使用较高波特率进行UART通信，所以将MCK设置为96 MHz。在此情况下，能设置的最高的AFEC时钟频率为16 MHz（将AFEC_MR的PRESCAL参数设置为2），即每个AFEC时钟的周期为62.5 ns。

由此可以计算出，从关闭状态下，完全启动AFEC最多需要512个AFEC时钟。在实际应用中，这个数字可以减小。

三、 AFEC初始化

准备工作为将MCK设置为96 MHz，开启UART并让printf通过UART输出。

1. PMC及GPIO设置。

2. AFEC工作模式。有两个寄存器可以设置AFEC的工作模式：

   AFEC0->AFEC_MR = 
   		  AFEC_MR_TRGEN_DIS			// 关闭硬件触发
   		| AFEC_MR_SLEEP				// 转换完成后进入睡眠模式
   		| AFEC_MR_PRESCAL(2)			// AFEC CLK = 96M / 6 = 16 M
   		| AFEC_MR_STARTUP_SUT512		// MAX 32 us
   		| AFEC_MR_SETTLING_AST3		// MIN 100 ns
   		| AFEC_MR_ANACH_ALLOWED		
   		| AFEC_MR_TRACKTIM(2)			// MIN 160 ns
   		| AFEC_MR_TRANSFER(1)		
   		| AFEC_MR_USEQ_NUM_ORDER
   		;
   AFEC0->AFEC_EMR = 
   		  AFEC_EMR_RES_NO_AVERAGE		// 进行 12bit 采样
   		;

3. 设置增益参数及关闭差分模式：

   AFEC0->AFEC_CGR = AFEC_CGR_GAIN5(0);
   AFEC0->AFEC_DIFFR &= ~((uint32_t)1 << 5); // 不使用差分模式

4. 启用通道：

   AFEC0->AFEC_CHER = AFEC_CHER_CH5;

四、 实现

1. 转换指定通道的输入

   uint16_t GetADCValue(int ch)
   {
   	// 软触发以开始转换
   	AFEC0->AFEC_CR = AFEC_CR_START;
   	// 等待转换完成（通过查询相应的EOC位判断转换是否完成）
   	while ((AFEC0->AFEC_ISR & (1<<ch) )== 0);
   	// 设置通道选择寄存器，使AFEC_CDR显示指定通道的转换结果
   	AFEC0->AFEC_CSELR = AFEC_CSELR_CSEL(ch);
   
   	return AFEC0->AFEC_CDR;
   }

2. 轮询滑动变阻器的电压，并在电压波动超过指定阀值时打印出当前电压。

   const int min_diff = 10;		// 阀值
   int diff;
   uint16_t adcv;				// ADC转换的结果
   uint16_t last_adcv = ~0;
   
   while(1){
   	adcv = GetADCValue(5);
   	//判断电压波动是否超过阀值
   	diff = (int32_t)adcv - last_adcv;
   	if (!(diff > (-min_diff) && diff < min_diff))
   	{
   		last_adcv = adcv;
   		printf("%d
   
   ", (int)adcv);
   	}
   	// 等待
   	for (volatile int i=0; i< 0xFFFF; ++i);
   }

五、 校准

在运行该示例时，发现当滑动变阻器VR1逆时钟旋至极限，即PB1引脚电压为0V时，ADC的输出为2048左右。而当PB1电压约为3.3 V的一半时，ADC输出值约为4095——即达到输出的最大值。

可以推测出存在一个约为2048的偏移误差。这个误差在一个ASF的示例中被提及：“AFEC内部的偏移为0x800……”。所以我们需要对此进行校准：

AFEC0->AFEC_CSELR = 5;
//AFEC内部偏移为 0x800
//该校准在参考电压为3.3V 时有效
AFEC0->AFEC_COCR = AFEC_COCR_AOFF(0x800);

AFEC_COCR的寄存器是作用于AFEC内部的DAC的：

同时，通过该模块图也可以知道增益与偏移校准作用于输入V的方式如下：

• 偏移电压：

  V_offset = ( offset / 4096 ) * V_ref

• ADC进行转换的电压：

  V_adc_in = ( V – V_offset) * gain

• 最后，将转换的数值加上0x800。