# 模数转换器 (ADC) 单次转换模式驱动

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## 简介

本文档介绍了 ESP32-H21 上的 ADC 单次转换模式驱动。

单次转换模式允许在选定的模拟输入通道上执行按需单次 ADC 转换。该模式适用于需要低频采样或触发采样的应用场景，而非持续的数据采集。

如需执行连续数据采集，ESP32-H21 提供了 ADC 连续转换模式驱动。

## 功能概述

下文将分节概述安装和运行 ADC 的基本步骤：

- 资源分配 - 介绍获取 ADC 句柄所需设置的参数，以及如何在 ADC 完成工作后回收资源。

- 配置 ADC 单元实例 - 介绍配置 ADC 单元所需设置的参数，用于获取 ADC 转换的原始结果。

- 读取转换结果 - 介绍如何获取 ADC 转换的原始结果。

- 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 - 介绍在禁用 cache 时，如何读取 ADC 转换的原始结果。

- 线程安全 - 介绍由驱动程序认证为线程安全的 API。

- Kconfig 选项 - 介绍支持的 Kconfig 选项，不同选项对驱动程序的操作会产生不同影响。

### 资源分配

ADC 单次转换模式驱动基于 ESP32-H21 SAR ADC 模块实现，不同的 ESP 芯片可能拥有不同数量的独立 ADC。对于单次转换模式驱动而言，ADC 实例以 `adc_oneshot_unit_handle_t` 表示。

请设置所需的初始配置结构体 `adc_oneshot_unit_init_cfg_t` 安装 ADC 实例，具体如下：

- `adc_oneshot_unit_init_cfg_t::unit_id` 选择 ADC。请参阅 技术规格书，了解对应 ADC 的专用模拟 IO 管脚。

- `adc_oneshot_unit_init_cfg_t::clk_src` 选择 ADC 的时钟源。设置为 0 时，驱动程序将使用默认时钟源，详情请参阅 `adc_oneshot_clk_src_t`。

- `adc_oneshot_unit_init_cfg_t::ulp_mode` 设置是否支持 ADC 在 ULP 模式下工作。

完成 ADC 初始配置后，使用已设置的初始配置结构体 `adc_oneshot_unit_init_cfg_t` 调用 `adc_oneshot_new_unit()`。如果分配成功，该函数将返回 ADC 单元实例句柄。

该函数可能因参数无效、内存不足等原因返回错误代码。比如，当要分配的 ADC 实例已经注册时，该函数会返回 `ESP_ERR_NOT_FOUND` 错误。可用 ADC 数量可通过 `SOC_ADC_PERIPH_NUM` 查看。

如果不再需要先前创建的 ADC 单元实例，请调用 `adc_oneshot_del_unit()` 回收该实例，相关的硬件和软件资源也会回收。

#### 在普通单次转换模式下创建 ADC 单元实例句柄

    adc_oneshot_unit_handle_t adc1_handle;
    adc_oneshot_unit_init_cfg_t init_config1 = {
        .unit_id = ADC_UNIT_1,
        .ulp_mode = ADC_ULP_MODE_DISABLE,
    };
    ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_new_unit(&init_config1, &adc1_handle));

#### 回收 ADC 单元实例

    ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_del_unit(adc1_handle));

### 配置 ADC 单元实例

创建 ADC 单元实例后，请设置 `adc_oneshot_chan_cfg_t` 配置 ADC IO 以测量模拟信号，具体如下：

- `adc_oneshot_chan_cfg_t::atten`，ADC 衰减。请参阅 技术规格书 > `ADC 特性`。

- `adc_oneshot_chan_cfg_t::bitwidth`，原始转换结果的位宽。

备注

ADC IO 及其对应的 ADC 通道编号，请参阅 技术规格书。

此外，可以使用 `adc_continuous_io_to_channel()` 和 `adc_continuous_channel_to_io()` 了解 ADC 通道和 ADC IO。

为使以上设置生效，请使用上述配置结构体调用 `adc_oneshot_config_channel()`，并指定要配置的 ADC 通道。函数 `adc_oneshot_config_channel()` 支持多次调用，以配置不同的 ADC 通道。驱动程序将在内部保存每个通道的配置。

#### 配置两个 ADC 通道

    adc_oneshot_chan_cfg_t config = {
        .bitwidth = ADC_BITWIDTH_DEFAULT,
        .atten = ADC_ATTEN_DB_12,
    };
    ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_config_channel(adc1_handle, EXAMPLE_ADC1_CHAN0, &config));
    ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_config_channel(adc1_handle, EXAMPLE_ADC1_CHAN1, &config));

### 读取转换结果

完成上述配置后，ADC 即可测量来自配置好的 ADC 通道的模拟信号。调用 `adc_oneshot_read()` 可以获取 ADC 通道的原始转换结果。

- `adc_oneshot_read()` 可安全使用。ADC 由其他驱动程序/外设共享，请参阅 硬件限制。函数 `adc_oneshot_read()` 使用互斥锁，避免与其他函数同时使用硬件，因此该函数不应在 ISR 上下文中使用。当 ADC 由其他驱动程序/外设占用时，该函数可能出错，并返回 `ESP_ERR_TIMEOUT` 错误。此时，ADC 原始结果无效。

该函数可能因参数无效而调用失败。

通过该函数获取的 ADC 转换结果为原始数据。可以使用以下公式，根据 ADC 原始结果计算电压：

    Vout = Dout * Vmax / Dmax       (1)

其中：

Vout | 数字输出结果，代表电压。
--- | ---
Dout | ADC 原始数字读取结果。
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 > `片上传感器与模拟信号处理`。
Dmax | 输出 ADC 原始数字读取结果的最大值，即 2^位宽，位宽即之前配置的 `adc_oneshot_chan_cfg_t::bitwidth`。

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，请参考校准文档 模数转换器 (ADC) 校准驱动程序。

#### 读取原始结果

    ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_read(adc1_handle, EXAMPLE_ADC1_CHAN0, &adc_raw[0][0]));
    ESP_LOGI(TAG, "ADC%d Channel[%d] Raw Data: %d", ADC_UNIT_1 + 1, EXAMPLE_ADC1_CHAN0, adc_raw[0][0]);

    ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_read(adc1_handle, EXAMPLE_ADC1_CHAN1, &adc_raw[0][1]));
    ESP_LOGI(TAG, "ADC%d Channel[%d] Raw Data: %d", ADC_UNIT_1 + 1, EXAMPLE_ADC1_CHAN1, adc_raw[0][1]);

### 硬件限制

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

- 一个 ADC 单元每次只能在一种操作模式下运行，可以是连续模式或单次模式。`adc_oneshot_start()` 提供了保护措施。

### 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系统时钟频率。然而，ADC 单次转换模式驱动以轮询例程运行，`adc_oneshot_read()` 会不断检查 CPU 是否完成读取，直到函数返回。在此期间，ADC 单次转换模式驱动程序所在的任务不会受阻塞。因此，在读取时时钟频率保持稳定。

### IRAM 安全

flash 写入/擦除、OTA 等原因都可能导致 cache 禁用，此时，默认不应运行任何 ADC 单次转换模式驱动 API。如果在禁用 cache 时执行了 ADC 单次转换模式驱动 API，可能会出现类似 `Illegal Instruction` 或 `Load/Store Prohibited` 的错误。

### 线程安全

- `adc_oneshot_new_unit()`

- `adc_oneshot_config_channel()`

- `adc_oneshot_read()`

- `adc_oneshot_del_unit()`

上述函数均为线程安全，使用时，可以直接从不同的 RTOS 任务中调用以上函数，无需额外锁保护。

### Kconfig 选项

- CONFIG_ADC_ONESHOT_CTRL_FUNC_IN_IRAM 决定了放置 ADC 快速读取函数的位置，即 IRAM 或 flash 中，详情请参阅 IRAM 安全。

## 应用示例

- peripherals/adc/oneshot_read 演示了如何使用 ADC 单次模式驱动程序从 GPIO 管脚获取单次 ADC 数值，并展示了如何使用 ADC 校准功能在 ESP32-H21 上获得校准后的结果，单位为毫伏。

## API 参考

### Header File

- components/esp_adc/include/esp_adc/adc_oneshot.h

- This header file can be included with:

  >     #include "esp_adc/adc_oneshot.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_oneshot_new_unit(const adc_oneshot_unit_init_cfg_t *init_config, adc_oneshot_unit_handle_t *ret_unit)

  Create a handle to a specific ADC unit.

  备注

  This API is thread-safe. For more details, see ADC programming guide

  参数:

    - init_config -- [in] Driver initial configurations

    - ret_unit -- [out] ADC unit handle

  返回:

    - ESP_OK: On success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid arguments

    - ESP_ERR_NO_MEM: No memory

    - ESP_ERR_NOT_FOUND: The ADC peripheral to be claimed is already in use

    - ESP_FAIL: Clock source isn't initialised correctly

esp_err_t adc_oneshot_config_channel(adc_oneshot_unit_handle_t handle, adc_channel_t channel, const adc_oneshot_chan_cfg_t *config)

  Set ADC oneshot mode required configurations.

  备注

  This API is thread-safe. For more details, see ADC programming guide

  参数:

    - handle -- [in] ADC handle

    - channel -- [in] ADC channel to be configured

    - config -- [in] ADC configurations

  返回:

    - ESP_OK: On success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid arguments

esp_err_t adc_oneshot_read(adc_oneshot_unit_handle_t handle, adc_channel_t chan, int *out_raw)

  Get one ADC conversion raw result.

  备注

  This API is thread-safe. For more details, see ADC programming guide

  备注

  This API should NOT be called in an ISR context

  备注

  Raw ADC codes are intended for further processing. To obtain a voltage in mV, it is recommended to use :cpp:func:`adc_cali_raw_to_voltage` instead of interpreting the raw value directly. :cpp:func:`adc_oneshot_get_calibrated_result` is a convenience function that does both.

  备注

  On targets with :c:macro:`SOC_ADC_DIFF_SUPPORTED`, N-side channels can be used in single-ended mode, but their raw data polarity is inverted. For an input range of -2 V to 2 V, the N-side raw code is 4393 to 0. Use the ADC calibration APIs to convert the raw result to voltage instead of interpreting the raw code directly.

  参数:

    - handle -- [in] ADC handle

    - chan -- [in] ADC channel

    - out_raw -- [out] ADC conversion raw result

  返回:

    - ESP_OK: On success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid arguments

    - ESP_ERR_TIMEOUT: Timeout, the ADC result is invalid

esp_err_t adc_oneshot_del_unit(adc_oneshot_unit_handle_t handle)

  Delete the ADC unit handle.

  备注

  This API is thread-safe. For more details, see ADC programming guide

  参数:

    handle -- [in] ADC handle

  返回:

    - ESP_OK: On success

    - ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid arguments

    - ESP_ERR_NOT_FOUND: The ADC peripheral to be disclaimed isn't in use

esp_err_t adc_oneshot_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_oneshot_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

esp_err_t adc_oneshot_get_calibrated_result(adc_oneshot_unit_handle_t handle, adc_cali_handle_t cali_handle, adc_channel_t chan, int *cali_result)

  Convenience function to get ADC calibrated result.

  This is an all-in-one function which does:

  - oneshot read ADC raw result

  - calibrate the raw result and convert it into calibrated result (in mV)

  参数:

    - handle -- [in] ADC oneshot handle, you should call adc_oneshot_new_unit() to get this handle

    - cali_handle -- [in] ADC calibration handle, you should call adc_cali_create_scheme_x() in adc_cali_scheme.h to create a handle

    - chan -- [in] ADC channel

    - cali_result -- [out] Calibrated ADC result (in mV)

  返回:

    - ESP_OK Other return errors from adc_oneshot_read() and adc_cali_raw_to_voltage()

### Structures

struct adc_oneshot_unit_init_cfg_t

  ADC oneshot driver initial configurations.

  Public Members

  adc_unit_t unit_id

    ADC unit.

  adc_oneshot_clk_src_t clk_src

    Clock source.

  adc_ulp_mode_t ulp_mode

    ADC controlled by ULP, see `adc_ulp_mode_t`

struct adc_oneshot_chan_cfg_t

  ADC channel configurations.

  Public Members

  adc_atten_t atten

    ADC attenuation.

  adc_bitwidth_t bitwidth

    ADC conversion result bits.

### Type Definitions

typedef struct adc_oneshot_unit_ctx_t *adc_oneshot_unit_handle_t

  Type of ADC unit handle for oneshot mode.

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