模数转换器 (ADC) 单次转换模式驱动

[English]

简介

模数转换器集成于芯片，支持测量特定模拟 IO 管脚的模拟信号。

ESP32-S2 有两个 ADC 单元，可以在以下场景使用：

生成 ADC 单次转换结果

生成连续 ADC 转换结果

本指南介绍了 ADC 单次转换模式。

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-S2 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。请参阅技术参考手册 > 片上传感器与模拟信号处理。
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_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。

Wi-Fi 也使用 ADC2，adc_oneshot_read() 提供了 Wi-Fi 驱动与 ADC 单次转换模式驱动间的保护。

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。

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。

adc_oneshot_del_unit() 非线程安全。此外，与上文中线程安全的函数一起调用该函数时，可能导致线程安全函数的调用出错。

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

ADC 单次转换模式示例：peripherals/adc/oneshot_read。

API 参考

Header File

components/hal/include/hal/adc_types.h

Structures

struct adc_digi_pattern_config_t

ADC digital controller pattern configuration.

Public Members

uint8_t atten: Attenuation of this ADC channel.

uint8_t channel: ADC channel.

uint8_t unit: ADC unit.

uint8_t bit_width: ADC output bit width.

struct adc_digi_output_data_t

ADC digital controller (DMA mode) output data format. Used to analyze the acquired ADC (DMA) data.

备注

ESP32: Only type1 is valid. ADC2 does not support DMA mode.

备注

ESP32-S2: Member channel can be used to judge the validity of the ADC data, because the role of the arbiter may get invalid ADC data.

Public Members

uint16_t data

ADC real output data info. Resolution: 12 bit.

ADC real output data info. Resolution: 11 bit.

uint16_t channel

ADC channel index info.

ADC channel index info. For ESP32-S2: If (channel < ADC_CHANNEL_MAX), The data is valid. If (channel > ADC_CHANNEL_MAX), The data is invalid.

struct adc_digi_output_data_t::[anonymous]::[anonymous] type1: ADC type1

uint16_t unit: ADC unit index info. 0: ADC1; 1: ADC2.

struct adc_digi_output_data_t::[anonymous]::[anonymous] type2: When the configured output format is 11bit.

uint16_t val: Raw data value

struct adc_digi_clk_t

ADC digital controller (DMA mode) clock system setting. Calculation formula: controller_clk = (APLL or APB) / (div_num + div_a / div_b + 1).

备注

: The clocks of the DAC digital controller use the ADC digital controller clock divider.

Public Members

bool use_apll: true: use APLL clock; false: use APB clock.

uint32_t div_num: Division factor. Range: 0 ~ 255. Note: When a higher frequency clock is used (the division factor is less than 9), the ADC reading value will be slightly offset.

uint32_t div_b: Division factor. Range: 1 ~ 63.

uint32_t div_a: Division factor. Range: 0 ~ 63.

Type Definitions

typedef soc_periph_adc_digi_clk_src_t adc_oneshot_clk_src_t: Clock source type of oneshot mode which uses digital controller.

typedef soc_periph_adc_digi_clk_src_t adc_continuous_clk_src_t: Clock source type of continuous mode which uses digital controller.

Enumerations

enum adc_unit_t

ADC unit.

Values:

enumerator ADC_UNIT_1: SAR ADC 1.

enumerator ADC_UNIT_2: SAR ADC 2.

enum adc_channel_t

ADC channels.

Values:

enumerator ADC_CHANNEL_0: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_1: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_2: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_3: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_4: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_5: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_6: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_7: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_8: ADC channel.

enumerator ADC_CHANNEL_9: ADC channel.

enum adc_atten_t

ADC attenuation parameter. Different parameters determine the range of the ADC.

Values:

enumerator ADC_ATTEN_DB_0: No input attenuation, ADC can measure up to approx.

enumerator ADC_ATTEN_DB_2_5: The input voltage of ADC will be attenuated extending the range of measurement by about 2.5 dB.

enumerator ADC_ATTEN_DB_6: The input voltage of ADC will be attenuated extending the range of measurement by about 6 dB.

enumerator ADC_ATTEN_DB_12: The input voltage of ADC will be attenuated extending the range of measurement by about 12 dB.

enumerator ADC_ATTEN_DB_11: This is deprecated, it behaves the same as ADC_ATTEN_DB_12

enum adc_bitwidth_t

Values:

enumerator ADC_BITWIDTH_DEFAULT: Default ADC output bits, max supported width will be selected.

enumerator ADC_BITWIDTH_9: ADC output width is 9Bit.

enumerator ADC_BITWIDTH_10: ADC output width is 10Bit.

enumerator ADC_BITWIDTH_11: ADC output width is 11Bit.

enumerator ADC_BITWIDTH_12: ADC output width is 12Bit.

enumerator ADC_BITWIDTH_13: ADC output width is 13Bit.

enum adc_ulp_mode_t

Values:

enumerator ADC_ULP_MODE_DISABLE: ADC ULP mode is disabled.

enumerator ADC_ULP_MODE_FSM: ADC is controlled by ULP FSM.

enumerator ADC_ULP_MODE_RISCV: ADC is controlled by ULP RISCV.

enum adc_digi_convert_mode_t

ADC digital controller (DMA mode) work mode.

Values:

enumerator ADC_CONV_SINGLE_UNIT_1: Only use ADC1 for conversion.

enumerator ADC_CONV_SINGLE_UNIT_2: Only use ADC2 for conversion.

enumerator ADC_CONV_BOTH_UNIT: Use Both ADC1 and ADC2 for conversion simultaneously.

enumerator ADC_CONV_ALTER_UNIT: Use both ADC1 and ADC2 for conversion by turn. e.g. ADC1 -> ADC2 -> ADC1 -> ADC2 .....

enum adc_digi_output_format_t

ADC digital controller (DMA mode) output data format option.

Values:

enumerator ADC_DIGI_OUTPUT_FORMAT_TYPE1: See adc_digi_output_data_t.type1

enumerator ADC_DIGI_OUTPUT_FORMAT_TYPE2: See adc_digi_output_data_t.type2

enum adc_digi_iir_filter_t

ADC IIR Filter ID.

Values:

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_0: Filter 0.

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_1: Filter 1.

enum adc_digi_iir_filter_coeff_t

IIR Filter Coefficient.

Values:

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_COEFF_2: The filter coefficient is 2.

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_COEFF_4: The filter coefficient is 4.

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_COEFF_8: The filter coefficient is 8.

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_COEFF_16: The filter coefficient is 16.

enumerator ADC_DIGI_IIR_FILTER_COEFF_64: The filter coefficient is 64.

Header File

components/esp_adc/include/esp_adc/adc_oneshot.h

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

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 *unit_id, adc_channel_t *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 *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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