模数转换器 (ADC) 连续转换模式驱动

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简介

ESP32-S2 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-S2 具有 两 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。

../../_images/adc_conversion_frame.png

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-S2 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:

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 SPI3 外设正在使用中,详情请参阅 硬件限制

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。

在 ESP32-S2 上,滤波器按 ADC 单元设置。一旦启用了滤波器,将对当前 ADC 单元中所有启用的 ADC 通道进行滤波。每个通道的滤波结果取决于前一次的滤波结果,因此为避免混淆滤波结果,建议在使用滤波器功能时,每个 ADC 单元只启用一条 ADC 通道,请勿同时启用多条 ADC 通道。

调用 adc_del_continuous_iir_filter() 可以回收滤波器。

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_monitor_register_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。

备注

ESP32-S2 上存在以下硬件限制: 1. 每个监视器仅支持一个阈值。 2. 每个 ADC 单元仅支持一个监视器。 3. ADC 连续转换模式驱动中,如果启用了监视器,无需使用参数 adc_monitor_config_t::channel 指定,某个 ADC 单元中所有已启用的通道都会受监视。

初始化 ADC 连续转换模式驱动

adc_continuous_handle_cfg_t adc_config = {
    .max_store_buf_size = 1024,
    .conv_frame_size = 100,
};
ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_new_handle(&adc_config));

回收 ADC 单元

ESP_ERROR_CHECK(adc_continuous_deinit());

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:

按照以下步骤设置 adc_digi_pattern_config_t

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()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()adc_continuous_iir_filter_disable(),以启用或禁用 ADC IIR 滤波器。

请调用 adc_continuous_monitor_enable()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());

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。

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。

  • Wi-Fi 也使用 ADC2,adc_continuous_start() 提供了 Wi-Fi 驱动和 ADC 连续转换模式驱动之间的保护。

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()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

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