模数转换器 (ADC) 连续转换模式驱动

[English]

简介

ESP32-C61 芯片集成了模数转换器 (ADC)，支持测量特定模拟 IO 管脚的模拟信号。此外，ADC 还支持直接内存访问 (DMA) 功能，高效获取 ADC 转换结果。

ESP32-C61 具有 一 个 ADC 单元，可应用于以下场景：

• 生成单次 ADC 转换结果

• 生成连续 ADC 转换结果

本指南介绍了 ADC 连续转换模式。

ADC 连续转换模式驱动概念

ADC 连续转换模式驱动由多个转换帧组成。

• 转换帧：一个转换帧包含多个转换结果。转换帧大小以字节为单位，在 adc_continuous_new_handle() 中配置。

• 转换结果：一个转换结果包含多个字节，即 SOC_ADC_DIGI_RESULT_BYTES。转换结果的数据结构由 adc_digi_output_data_t 定义，包括 ADC 单元、ADC 通道以及原始数据。

功能概述

下文将分节概述安装 ADC 连续转换模式驱动、并从一组 ADC 通道连续读取 ADC 转换结果的基本步骤：

• 资源分配：介绍初始化 ADC 连续转换模式驱动所需设置的参数，以及如何将驱动去初始化。

• 配置 ADC：介绍如何将 ADC 配置为在连续转换模式下工作。

• ADC 控制：介绍 ADC 控制函数。

• 注册事件回调：介绍如何将特定用户代码链接到 ADC 连续转换模式事件回调函数。

• 读取转换结果：介绍如何获取 ADC 转换结果。

• 硬件限制：介绍与 ADC 相关的硬件限制。

• 电源管理：介绍电源管理的相关内容。

• IRAM 安全：介绍与 IRAM 安全相关的函数。

• 线程安全：介绍由驱动程序认证为线程安全的 API。

资源分配

ADC 连续转换模式驱动基于 ESP32-C61 SAR ADC 模块实现，不同的 ESP 目标芯片可能拥有不同数量的独立 ADC。

请按照以下步骤设置配置结构体 adc_continuous_handle_cfg_t，创建 ADC 连续转换模式驱动的句柄：

• adc_continuous_handle_cfg_t::max_store_buf_size：以字节为单位设置最大缓冲池的大小，驱动程序将 ADC 转换结果保存到该缓冲池中。缓冲池已满时，新的转换将丢失。

• adc_continuous_handle_cfg_t::conv_frame_size：以字节为单位设置 ADC 转换帧大小。

• adc_continuous_handle_cfg_t::flags：设置可以改变驱动程序行为的标志。

  • flush_pool：缓冲池满时自动清空缓冲池。

完成以上 ADC 配置后，使用已设置的配置结构体 adc_continuous_handle_cfg_t 调用 adc_continuous_new_handle()。该函数可能将在特定情况下返回错误值，如无效参数、内存不足等。

函数返回 ESP_ERR_NOT_FOUND 时，表明 GDMA 空闲通道不足。

如果不再使用 ADC 连续转换模式驱动，请调用 adc_continuous_deinit() 将驱动去初始化。

IIR 滤波器

ADC 连续转换模式下支持使用两个 IIR 滤波器。请设置 adc_continuous_iir_filter_config_t 结构体并调用 adc_new_continuous_iir_filter()，以创建 ADC IIR 滤波器。

• adc_digi_filter_config_t::unit：ADC 单元。

• adc_digi_filter_config_t::channel：将进行滤波的 ADC 通道。

• adc_digi_filter_config_t::coeff：滤波器系数。

调用 adc_del_continuous_iir_filter() 可以回收滤波器。

备注

在一个 ADC 通道上同时使用两个滤波器时，只有第一个滤波器会生效。

监视器

当 ADC 在连续转换模式下运行时，支持使用 2 个监视器。你可以在运行中的 ADC 通道上设置一到两个监视器阈值，一旦转换结果超出阈值，监视器将在每个采样循环中触发中断。请设置 adc_monitor_config_t，并调用 adc_new_continuous_monitor() 以创建 ADC 监视器。

• adc_monitor_config_t::adc_unit：配置要监视的 ADC 通道所属的 ADC 单元。

• adc_monitor_config_t::channel：要监视的 ADC 通道。

• adc_monitor_config_t::h_threshold：高阈值，转换结果大于此值将触发中断，如果不使用此阈值，则将其设置为 -1。

• adc_monitor_config_t::l_threshold：低阈值，转换结果小于此值将触发中断，如果不使用此阈值，则将其设置为 -1。

创建监视器后，可以使用以下 API 操作监视器，构建你的应用程序。

• adc_continuous_monitor_enable()：启用监视器。

• adc_continuous_monitor_disable()：禁用监视器.

• adc_continuous_monitor_register_event_callbacks()：注册用户回调函数，在 ADC 转换结果超出阈值时，执行相应操作。

• adc_del_continuous_monitor()：删除监视器，释放资源。

特别地，监视器功能可用于实现过零检测。由于 ADC 无法直接处理负输入信号，可以通过 直流偏置（DC bias） 来实现过零检测。

首先，通过电路将直流偏置添加到输入信号中，以将负信号“移位”到 ADC 的测量范围内。关于 ADC 的测量范围，请参考 技术参考手册 中的片上传感器与模拟信号处理章节。例如，添加一个 1 V 的偏置可以将 -1 V 至 +1 V 的信号变换到 0 V 至 2 V 的范围。然后，通过设置合适的高阈值与低阈值，ADC 可以检测输入信号是否接近零，从而识别信号的相位变化。详情请参考下面的示例代码。

// 初始化 ADC 监视器句柄
adc_monitor_handle_t adc_monitor_handle = NULL;

// 配置 ADC 监视器
adc_monitor_config_t zero_crossing_config = {
    .adc_unit = EXAMPLE_ADC_UNIT_1,      // 指定要监视的 ADC 单元
    .channel = EXAMPLE_ADC_CHANNEL_0,    // 指定要监视的 ADC 通道
    .h_threshold = 1100,                 // 设置监视的高阈值为接近偏置值，请根据实际情况进行调整
    .l_threshold = 900,                 // 设置监视的低阈值为接近偏置值，请根据实际情况进行调整
};

// 创建 ADC 监视器
ESP_ERROR_CHECK(adc_new_continuous_monitor(&zero_crossing_config, &adc_monitor_handle));

// 注册回调函数
adc_monitor_evt_cbs_t zero_crossing_cbs = {
    .on_over_high_thresh = example_on_exceed_high_thresh,
    .on_below_low_thresh = example_on_below_low_thresh,
};

ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_monitor_register_event_callbacks(adc_monitor_handle, &zero_crossing_cbs, NULL));

// 启用 ADC 监视器
ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_monitor_enable(adc_monitor_handle));

// 禁用并删除 ADC 监视器
ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_monitor_disable(adc_monitor_handle));
ESP_ERROR_CHECK(adc_del_continuous_monitor(adc_monitor_handle));

初始化 ADC 连续转换模式驱动

adc_continuous_handle_t handle = NULL;
adc_continuous_handle_cfg_t adc_config = {
    .max_store_buf_size = 1024,
    .conv_frame_size = 256,
};
ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_new_handle(&adc_config, &handle));

回收 ADC 单元

ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_deinit(handle));

配置 ADC

初始化 ADC 连续转换模式驱动后，设置 adc_continuous_config_t 配置 ADC IO，测量模拟信号：

• adc_continuous_config_t::pattern_num：要使用的 ADC 通道数量。

• adc_continuous_config_t::adc_pattern：每个要使用的 ADC 通道的配置列表，请参阅下文描述。

• adc_continuous_config_t::sample_freq_hz：期望的 ADC 采样频率，单位为 Hz。

• adc_continuous_config_t::conv_mode：连续转换模式。

• adc_continuous_config_t::format：转换模式结果的输出格式。

按照以下步骤设置 adc_digi_pattern_config_t：

• adc_digi_pattern_config_t::atten：ADC 衰减。请参阅 技术参考手册 中的 ADC 特性 章节。

• adc_digi_pattern_config_t::channel：IO 对应的 ADC 通道号，请参阅下文注意事项。

• adc_digi_pattern_config_t::unit：IO 所属的 ADC 单元。

• adc_digi_pattern_config_t::bit_width：原始转换结果的位宽。

备注

对于 IO 对应的 ADC 通道号，请参阅 技术参考手册 获取 ADC IO 管脚的详细信息。另外，可以使用 adc_continuous_io_to_channel() 和 adc_continuous_channel_to_io() 获取 ADC 通道和 ADC IO 的对应关系。

为使这些设置生效，请使用上述配置结构体，调用 adc_continuous_config()。此 API 可能由于 ESP_ERR_INVALID_ARG 等原因返回错误。当它返回 ESP_ERR_INVALID_STATE 时，意味着 ADC 连续转换模式驱动已经启动，此时不应调用此 API。

请参考 ADC 连续转换模式示例 peripherals/adc/continuous_read，查看相应配置代码。

请调用 adc_continuous_iir_filter_enable() 或 adc_continuous_iir_filter_disable()，以启用或禁用 ADC IIR 滤波器。

请调用 adc_continuous_monitor_enable() 或 adc_continuous_monitor_disable()，以启用或禁用 ADC 监视器。

ADC 控制

启动和停止

调用 adc_continuous_start()，将使 ADC 开始从配置好的 ADC 通道测量模拟信号，并生成转换结果。

相反，调用 adc_continuous_stop() 则会停止 ADC 转换。

ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_stop(handle));

注册事件回调

调用 adc_continuous_register_event_callbacks()，可以将自己的函数链接到驱动程序的 ISR 中。通过 adc_continuous_evt_cbs_t 可查看所有支持的事件回调。

• adc_continuous_evt_cbs_t::on_conv_done：当一个转换帧完成时，触发此事件。

• adc_continuous_evt_cbs_t::on_pool_ovf：当内部缓冲池已满时，触发此事件，新的转换结果将丢失。

由于上述回调函数在 ISR 中调用，请确保回调函数适合在 ISR 上下文中运行，且这些回调不应涉及阻塞逻辑。回调函数的原型在 adc_continuous_callback_t 中声明。

在调用 adc_continuous_register_event_callbacks() 时，还可以通过参数 user_data 注册自己的上下文，该用户数据将直接传递给回调函数。

此回调函数可能由于 ESP_ERR_INVALID_ARG 等原因返回错误。启用 CONFIG_ADC_CONTINUOUS_ISR_IRAM_SAFE 时，如果回调函数失败并报错，可能是因为回调函数不在内部 RAM 中，请查看错误日志了解详情。此外，如果回调函数出现 ESP_ERR_INVALID_STATE 错误，表明 ADC 连续转换模式驱动已经启动，此时不应添加回调。

转换完成事件

当驱动程序完成一次转换后，会触发 adc_continuous_evt_cbs_t::on_conv_done 事件，并填充事件数据。事件数据包含一个指向转换帧缓冲区的指针，以及转换帧缓冲区大小。要了解事件数据结构，请参阅 adc_continuous_evt_data_t。

备注

注意，数据缓冲区 adc_continuous_evt_data_t::conv_frame_buffer 由驱动程序本身维护，请勿释放此内存。

备注

启用 Kconfig 选项 CONFIG_ADC_CONTINUOUS_ISR_IRAM_SAFE 时，注册的回调函数以及回调函数中调用的函数应放置在 IRAM 中，涉及的变量也应放置在内部 RAM 中。

缓冲池溢出事件

ADC 连续转换模式驱动使用内部缓冲池保存转换结果，缓冲池满时将发生缓冲池溢出事件。此时，驱动程序不会继续填充事件数据。缓冲池溢出通常是因为调用 adc_continuous_read() 从池中读取数据的速度远低于 ADC 转换的速度。

读取转换结果

调用 adc_continuous_start() 启动 ADC 连续转换，调用 adc_continuous_read() 可以获取 ADC 通道的转换结果。注意提供缓冲区，获取原始结果。

函数 adc_continuous_read() 每次都会尝试以期望长度读取转换结果。

• 调用 adc_continuous_read() 可以请求读取指定长度的转换结果。但有时实际可用的转换结果可能少于请求长度，此时，函数仍会将数据从内部池移动到你提供的缓冲区中。因此，请查看 out_length 的值，了解实际移动到缓冲区中的转换结果数量。

• 如果内部池中没有生成转换结果，函数将会阻塞一段时间，即 timeout_ms，直到转换结果生成。如果始终没有转换结果生成，函数将返回 ESP_ERR_TIMEOUT。

• 如果 ADC 连续转换生成的结果填满了内部池，新产生的结果将丢失。下次调用 adc_continuous_read() 时，将返回 ESP_ERR_INVALID_STATE，提示此情况发生。

此 API 提供了一个读取所有 ADC 连续转换结果的机会。

从上述函数读取的 ADC 转换结果为原始数据。要根据 ADC 原始结果计算电压，可以使用以下公式：

Vout = Dout * Vmax / Dmax       (1)

其中：

Vout	数据输出结果，代表电压。
Dout	ADC 原始数据读取结果。
Vmax	可测量的最大模拟输入电压，与 ADC 衰减相关，请参考 技术参考手册 中的片上传感器与模拟信号处理章节。
Dmax	输出 ADC 原始数据读取结果的最大值，即 2^位宽，位宽即之前配置的 adc_digi_pattern_config_t::bit_width。

若需进一步校准，将 ADC 原始结果转换为以 mV 为单位的电压数据，请参考 模数转换器 (ADC) 校准驱动程序。

硬件限制

• 一个 ADC 单元一次只能运行一种操作模式，即连续模式或单次模式。adc_continuous_start() 提供了保护措施。

• 随机数生成器 (RNG) 以 ADC 为输入源。使用 ADC 连续转换模式驱动从 RNG 生成随机数时，随机性会减弱。

电源管理

启用电源管理，即启用 CONFIG_PM_ENABLE 时，系统在空闲状态下，可能会调整 APB 时钟频率，这可能会改变 ADC 连续转换的行为。

然而，通过获取类型为 ESP_PM_APB_FREQ_MAX 的电源管理锁，ADC 连续转换模式驱动可以阻止这种改变。调用 adc_continuous_start() 启动连续转换后即可获取该锁。同样，调用 adc_continuous_stop() 停止转换后将释放该锁。因此，必须确保 adc_continuous_start() 和 adc_continuous_stop() 成对出现，否则电源管理将失效。

IRAM 安全

ADC 连续转换模式驱动的所有 API 均非 IRAM 安全。禁用 cache 时，不应运行这类 API。启用 Kconfig 选项 CONFIG_ADC_CONTINUOUS_ISR_IRAM_SAFE 可确保驱动的内部 ISR 处理程序为 IRAM 安全，此时即使禁用 cache，驱动仍然会将转换结果保存到其内部缓冲池中。

线程安全

ADC 连续转换模式驱动的 API 不一定线程安全，但驱动程序提供了共享硬件互斥，详情请参阅 硬件限制。

应用示例

• peripherals/adc/continuous_read 演示了如何在 ESP32-C61 开发板上使用 ADC 连续读取模式（DMA 模式），通过片上 ADC 模块从 GPIO 管脚读取数据。

API 参考

Header File

• components/esp_adc/include/esp_adc/adc_continuous.h

• This header file can be included with:

  #include "esp_adc/adc_continuous.h"
  

• This header file is a part of the API provided by the esp_adc component. To declare that your component depends on esp_adc, add the following to your CMakeLists.txt:

  REQUIRES esp_adc
  

  or

  PRIV_REQUIRES esp_adc
  

Functions

esp_err_t adc_continuous_new_handle(const adc_continuous_handle_cfg_t *hdl_config, adc_continuous_handle_t *ret_handle)

Initialize ADC continuous driver and get a handle to it.

参数

• hdl_config -- [in] Pointer to ADC initialization config. Refer to adc_continuous_handle_cfg_t.

• ret_handle -- [out] ADC continuous mode driver handle

返回

• ESP_ERR_INVALID_ARG If the combination of arguments is invalid.

• ESP_ERR_NOT_FOUND No free interrupt found with the specified flags

• ESP_ERR_NO_MEM If out of memory

• ESP_OK On success

esp_err_t adc_continuous_config(adc_continuous_handle_t handle, const adc_continuous_config_t *config)

Set ADC continuous mode required configurations.

参数

• handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

• config -- [in] Refer to adc_digi_config_t.

返回

• ESP_ERR_INVALID_STATE: Driver state is invalid, you shouldn't call this API at this moment

• ESP_ERR_INVALID_ARG: If the combination of arguments is invalid.

• ESP_OK: On success

esp_err_t adc_continuous_register_event_callbacks(adc_continuous_handle_t handle, const adc_continuous_evt_cbs_t *cbs, void *user_data)

Register callbacks.

备注

User can deregister a previously registered callback by calling this function and setting the to-be-deregistered callback member in the cbs structure to NULL.

备注

When CONFIG_ADC_CONTINUOUS_ISR_IRAM_SAFE is enabled, the callback itself and functions called by it should be placed in IRAM. Involved variables (including user_data) should be in internal RAM as well.

备注

You should only call this API when the ADC continuous mode driver isn't started. Check return value to know this.

参数

• handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

• cbs -- [in] Group of callback functions

• user_data -- [in] User data, which will be delivered to the callback functions directly

返回

• ESP_OK: On success

• ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid arguments

• ESP_ERR_INVALID_STATE: Driver state is invalid, you shouldn't call this API at this moment

esp_err_t adc_continuous_start(adc_continuous_handle_t handle)

Start the ADC under continuous mode. After this, the hardware starts working.

参数

handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

返回

• ESP_ERR_INVALID_STATE Driver state is invalid.

• ESP_OK On success

esp_err_t adc_continuous_read(adc_continuous_handle_t handle, uint8_t *buf, uint32_t length_max, uint32_t *out_length, uint32_t timeout_ms)

Read bytes from ADC under continuous mode.

参数

• handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

• buf -- [out] Conversion result buffer to read from ADC. Suggest convert to adc_digi_output_data_t for ADC Conversion Results. See the subsection Driver Backgrounds in this header file to learn about this concept.

• length_max -- [in] Expected length of the Conversion Results read from the ADC, in bytes.

• out_length -- [out] Real length of the Conversion Results read from the ADC via this API, in bytes.

• timeout_ms -- [in] Time to wait for data via this API, in millisecond.

返回

• ESP_ERR_INVALID_STATE Driver state is invalid. Usually it means the ADC sampling rate is faster than the task processing rate.

• ESP_ERR_TIMEOUT Operation timed out

• ESP_OK On success

esp_err_t adc_continuous_stop(adc_continuous_handle_t handle)

Stop the ADC. After this, the hardware stops working.

参数

handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

返回

• ESP_ERR_INVALID_STATE Driver state is invalid.

• ESP_OK On success

esp_err_t adc_continuous_deinit(adc_continuous_handle_t handle)

Deinitialize the ADC continuous driver.

参数

handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

返回

• ESP_ERR_INVALID_STATE Driver state is invalid.

• ESP_OK On success

esp_err_t adc_continuous_flush_pool(adc_continuous_handle_t handle)

Flush the driver internal pool.

备注

This API is not supposed to be called in an ISR context

参数

handle -- [in] ADC continuous mode driver handle

返回

• ESP_ERR_INVALID_STATE Driver state is invalid, you should call this API when it's in init state

• ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid arguments

• ESP_OK On success

esp_err_t adc_continuous_io_to_channel(int io_num, adc_unit_t *const unit_id, adc_channel_t *const channel)

Get ADC channel from the given GPIO number.

参数

• io_num -- [in] GPIO number

• unit_id -- [out] ADC unit

• channel -- [out] ADC channel

返回

• ESP_OK: On success

• ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid argument

• ESP_ERR_NOT_FOUND: The IO is not a valid ADC pad

esp_err_t adc_continuous_channel_to_io(adc_unit_t unit_id, adc_channel_t channel, int *const io_num)

Get GPIO number from the given ADC channel.

参数

• unit_id -- [in] ADC unit

• channel -- [in] ADC channel

• io_num -- [out] GPIO number

• - -- ESP_OK: On success

  • ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid argument

Structures

struct adc_continuous_handle_cfg_t

ADC continuous mode driver initial configurations.

Public Members

uint32_t max_store_buf_size

Max length of the conversion results that driver can store, in bytes.

uint32_t conv_frame_size

Conversion frame size, in bytes. This should be in multiples of SOC_ADC_DIGI_DATA_BYTES_PER_CONV.

uint32_t flush_pool

Flush the internal pool when the pool is full.

struct adc_continuous_handle_cfg_t::[anonymous] flags

Driver flags.

struct adc_continuous_config_t

ADC continuous mode driver configurations.

Public Members

uint32_t pattern_num

Number of ADC channels that will be used.

adc_digi_pattern_config_t *adc_pattern

List of configs for each ADC channel that will be used.

uint32_t sample_freq_hz

The expected ADC sampling frequency in Hz. Please refer to soc/soc_caps.h to know available sampling frequency range

adc_digi_convert_mode_t conv_mode

ADC DMA conversion mode, see adc_digi_convert_mode_t.

adc_digi_output_format_t format

ADC DMA conversion output format, see adc_digi_output_format_t.

struct adc_continuous_evt_data_t

Event data structure.

备注

The conv_frame_buffer is maintained by the driver itself, so never free this piece of memory.

Public Members

uint8_t *conv_frame_buffer

Pointer to conversion result buffer for one conversion frame.

uint32_t size

Conversion frame size.

struct adc_continuous_evt_cbs_t

Group of ADC continuous mode callbacks.

备注

These callbacks are all running in an ISR environment.

备注

When CONFIG_ADC_CONTINUOUS_ISR_IRAM_SAFE is enabled, the callback itself and functions called by it should be placed in IRAM. Involved variables should be in internal RAM as well.

Public Members

adc_continuous_callback_t on_conv_done

Event callback, invoked when one conversion frame is done. See the subsection Driver Backgrounds in this header file to learn about the conversion frame concept.

adc_continuous_callback_t on_pool_ovf

Event callback, invoked when the internal pool is full.

Macros

ADC_MAX_DELAY

ADC read max timeout value, it may make the adc_continuous_read block forever if the OS supports.

Type Definitions

typedef struct adc_continuous_ctx_t *adc_continuous_handle_t

Type of adc continuous mode driver handle.

typedef bool (*adc_continuous_callback_t)(adc_continuous_handle_t handle, const adc_continuous_evt_data_t *edata, void *user_data)

Prototype of ADC continuous mode event callback.

Param handle

[in] ADC continuous mode driver handle

Param edata

[in] Pointer to ADC continuous mode event data

Param user_data

[in] User registered context, registered when in adc_continuous_register_event_callbacks()

Return

Whether a high priority task is woken up by this function

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