模数转换器 (ADC) 校准驱动程序

简介

在 ESP32 中，模数转换器 (ADC) 比较输入的模拟电压和参考电压，以确定每一位数字输出结果。ESP32 设计的 ADC 参考电压为 1100 mV。然而，不同芯片的真实参考电压可能会略有变化，范围在 1000 mV 到 1200 mV 之间。本文介绍了 ADC 校准驱动程序，可以降低参考电压不同带来的影响，获取更准确的输出结果。

功能概述

下文将分节概述安装和使用 ADC 校准驱动程序的基本步骤：

创建校准方案 - 介绍如何创建和删除校准方案句柄。
结果转换 - 介绍如何将原始 ADC 结果转换为校准后的结果。
线程安全 - 列出由驱动程序认证为线程安全的 API。
减少噪声 - 介绍一种常见的降低噪声的方法。
Kconfig 选项 - 列出了驱动程序支持的 Kconfig 选项，这些选项会对驱动程序的行为产生不同影响。

创建校准方案

ADC 校准驱动程序会提供 ADC 校准方案。对于驱动程序来说，每个 ADC 校准方案对应一个 ADC 校准句柄 adc_cali_handle_t。

使用 adc_cali_check_scheme() 可以查看芯片支持的校准方案。若已了解芯片支持的校准方案，可以跳过该步骤，直接调用对应函数创建校准方案句柄。

使用自定义 ADC 校准方案时，可以选择调整函数 adc_cali_check_scheme()，或直接跳过该步骤，调用自定义函数创建校准方案句柄。

ADC 校准线性拟合方案

ESP32 支持 ADC_CALI_SCHEME_VER_LINE_FITTING 方案。要创建此方案，请先根据以下配置选项，设置 adc_cali_line_fitting_config_t。

adc_cali_line_fitting_config_t::unit_id，表示 ADC 原始结果来自哪个 ADC 单元。
adc_cali_line_fitting_config_t::atten，表示 ADC 原始结果的衰减程度。
adc_cali_line_fitting_config_t::bitwidth，表示 ADC 原始结果的位宽。

adc_cali_line_fitting_config_t::default_vref 通常默认设置为 0，此值不影响线性拟合方案的校准过程。然而，如果线性拟合方案所需使用的 eFuse 位没有烧录到板上，则驱动程序将根据 adc_cali_line_fitting_config_t::default_vref 进行校准。

通过 adc_cali_scheme_line_fitting_check_efuse() 可以检查 eFuse 位。一般情况下，线性拟合方案的 eFuse 值为 ADC_CALI_LINE_FITTING_EFUSE_VAL_EFUSE_TP 或 ADC_CALI_LINE_FITTING_EFUSE_VAL_EFUSE_VREF。这意味着线性拟合方案在校准时，使用的是烧录在 eFuse 中的校准参数。

当线性拟合方案的 eFuse 值为 ADC_CALI_LINE_FITTING_EFUSE_VAL_DEFAULT_VREF 时，请设置 esp_adc_cali_line_fitting_init::default_vref。默认 vref 为 ADC 参考电压的估计值，在校准时作为参数提供。

设置完上述配置结构体后，请调用 adc_cali_create_scheme_line_fitting() 创建线性拟合校准方案句柄。

ESP_LOGI(TAG, "calibration scheme version is %s", "Line Fitting");
adc_cali_line_fitting_config_t cali_config = {
    .unit_id = unit,
    .atten = atten,
    .bitwidth = ADC_BITWIDTH_DEFAULT,
};
ESP_ERROR_CHECK(adc_cali_create_scheme_line_fitting(&cali_config, &handle));

ADC 校准使用完毕后，请调用 adc_cali_delete_scheme_line_fitting()，删除线性拟合校准方案句柄。

删除线性拟合校准方案句柄

ESP_LOGI(TAG, "delete %s calibration scheme", "Line Fitting");
ESP_ERROR_CHECK(adc_cali_delete_scheme_line_fitting(handle));

备注

要使用自定义校准方案，可以通过提供创建函数，创建自己的校准方案句柄。请参阅 components/esp_adc/interface/adc_cali_interface.h 中的函数表 adc_cali_scheme_t，了解 ESP ADC 校准接口。

结果转换

对驱动程序进行完上述配置和初始化工作后，可以调用 adc_cali_raw_to_voltage()，将原始 ADC 结果转换为校准结果，校准结果以 mV 为单位。该函数可能因参数无效而调用失败。如果函数返回 ESP_ERR_INVALID_STATE，说明校准方案尚未创建。因此你需要创建一个校准方案句柄，通过 adc_cali_check_scheme() 可以了解当前芯片支持的校准方案；你也可以提供自定义校准方案，创建对应的校准方案句柄。

获取电压

ESP_ERROR_CHECK(adc_cali_raw_to_voltage(adc_cali_handle, adc_raw[0][0], &voltage[0][0]));
ESP_LOGI(TAG, "ADC%d Channel[%d] Cali Voltage: %d mV", ADC_UNIT_1 + 1, EXAMPLE_ADC1_CHAN0, voltage[0][0]);

线程安全

驱动程序会确保工厂函数 esp_adc_cali_new_scheme() 的线程安全，使用时，可以直接从不同的 RTOS 任务中调用此类函数，无需额外锁保护。

其他以 adc_cali_handle_t 作为第一个位置参数的函数均非线程安全，在没有设置互斥锁保护的任务中，应避免从多个任务中调用这类函数。

Kconfig 选项

CONFIG_ADC_CAL_EFUSE_TP_ENABLE - 如果校准相关的 eFuse 值没有配置为 ADC_CALI_LINE_FITTING_EFUSE_VAL_EFUSE_TP，则可以禁用该选项，减小代码大小。
CONFIG_ADC_CAL_EFUSE_VREF_ENABLE - 如果校准相关的 eFuse 值没有配置为 ADC_CALI_LINE_FITTING_EFUSE_VAL_EFUSE_VREF，则可以禁用该选项，减小代码大小。
CONFIG_ADC_CAL_LUT_ENABLE - 如果校准 ADC 原始结果时，衰减没有设置成 ADC_ATTEN_DB_12，则可以禁用该选项，减小代码大小。

减少噪声

ESP32 ADC 对噪声敏感，可能导致 ADC 读数出现较大偏差。根据不同使用场景，要减少噪声影响，你可能需要将旁路电容（如 100 nF 陶瓷电容）连接到 ADC 使用的输入管脚。此外，也可以通过多次采样，进一步减轻噪声的影响。

API 参考

Header File

components/esp_adc/include/esp_adc/adc_cali.h

Functions

esp_err_t adc_cali_check_scheme(adc_cali_scheme_ver_t *scheme_mask)

Check the supported ADC calibration scheme.

参数

scheme_mask -- [out] Supported ADC calibration scheme(s)

返回

ESP_OK: On success
ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid argument
ESP_ERR_NOT_SUPPORTED: No supported calibration scheme

esp_err_t adc_cali_raw_to_voltage(adc_cali_handle_t handle, int raw, int *voltage)

Convert ADC raw data to calibrated voltage.

参数

handle -- [in] ADC calibration handle
raw -- [in] ADC raw data
voltage -- [out] Calibrated ADC voltage (in mV)

返回

ESP_OK: On success
ESP_ERR_INVALID_ARG: Invalid argument
ESP_ERR_INVALID_STATE: Invalid state, scheme didn't registered

Type Definitions

typedef struct adc_cali_scheme_t *adc_cali_handle_t: ADC calibration handle.

Enumerations

enum adc_cali_scheme_ver_t

ADC calibration scheme.

Values:

enumerator ADC_CALI_SCHEME_VER_LINE_FITTING: Line fitting scheme.

enumerator ADC_CALI_SCHEME_VER_CURVE_FITTING: Curve fitting scheme.

Header File

components/esp_adc/include/esp_adc/adc_cali_scheme.h

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