ESP32 之 ESP-IDF 教学（八）—— 模数转换器（ADC）

ESP32集成了两个 12位SAR(一次接近寄存器)adc ，支持18个测量通道。

ADC1：

• 支持 8 包括：GPIO32 - GPIO39(不按顺序)

ADC2：

• 支持 10 包括：GPIO0, GPIO2, GPIO4, GPIO12 - GPIO15, GOIO25 - GPIO27(不按顺序)

ESP32 内置霍尔传感器 ADC1 的通道0和3（GPIO36 和 GPIO39）。若要使用ESP32内置霍尔传感器，请不要这两个GPIO做任何配置！

两个 ADC 的 API 包含在driver/adc.h

#include "driver/adc.h" 

ADC模块 能读取电压的范围（量程）有限，因此我们一般给某个 ADC 通道配置一定的衰减，使其读取更大的电压。但是，更大的量程会导致更小的精度。因此根据 ADC 的应用场景，选择适当的衰减级别十分必要。

ESP32 的每一个通道都有提供了4个级别的衰减等级，不同的衰减等级对于的量程在下表列出：注意，下表中的 “推荐范围” 并不是量程 ，而是在某衰减等级下测量最精确的推荐测量范围

ESP32 ADC 对噪声很敏感，导致 ADC 读数有很大差异。为了减少噪声，用户可以参考以下两种方法：

• 物理层面 —— 在使用时可以在 ADC 输入口上连接一个0.1µF的电容。
• 在单独测量模式下，多次测量取平均值可以减少部分干扰。
• 多重采样模式也可以用来进一步减轻噪声的影响。

下图是 ADC 直接读取 和 采用以上减小误差方法进行读取的ADC值分布散点图

其中纵轴(ADC Reading)代表不同方式读取到的ADC值，横轴(Sample Number)是采样次数。

图例：

• 白色点（黑圈）—— 直接测量
• 橙色点 —— 连接电容进行测量
• 蓝色点 —— 在有电容的情况下，连续采样64个值求平均值

可见，使用方法减少噪声影响后，ESP32 ADC模块的测量值更精准，趋近于一条直线（残差更小）

直接使用ADC读取到的值是不能直接计算出电压的，要经过重要一步 —— 校准

#include "esp_adc_cal.h"

关于ADC校准的库为esp_adc_cal.h 这个库提供 API 函数用于校正基于 ADC 参考电压 ( V r e f V_{ref} Vref​) 。每个设计的ADC参考电压为 1100 m V 1100 \rm mV 1100mV。

对于 ADC1 我们主要使用3个 API 函数：

• adc1_config_width() —— 用于配置ADC1所有通道的捕获宽度，同时使能ADC1的输出反转。
• adc1_config_channel_atten() —— 用于配置ADC1某个通道的衰减（衰减概念见简介2）
• adc1_get_raw() —— 用于读取 1 次 ADC 值，类型为int，获取值通常为正，除非错误

typedef enum adc_bit_width{ 
        
	ADC_WIDTH_BIT_9 = 0,
//ADC capture width is 9Bit.

	ADC_WIDTH_BIT_10 = 1,
//ADC capture width is 10Bit.

	ADC_WIDTH_BIT_11 = 2,
//ADC capture width is 11Bit.

	ADC_WIDTH_BIT_12 = 3,
//ADC capture width is 12Bit.

	ADC_WIDTH_MAX,
}adc_bit_width_t;

typedef enum adc_atten{ 
        
	ADC_ATTEN_DB_0 = 0,
//No input attenumation, ADC can measure up to approx. 800 mV.

	ADC_ATTEN_DB_2_5 = 1,
//The input voltage of ADC will be attenuated extending the range of measurement by about 2.5 dB (1.33 x)

	ADC_ATTEN_DB_6 = 2,
//The input voltage of ADC will be attenuated extending the range of measurement by about 6 dB (2 x)

	ADC_ATTEN_DB_11 = 3,
//The input voltage of ADC will be attenuated extending the range of measurement by about 11 dB (3.55 x)
	ADC_ATTEN_MAX,
}adc_atten_t;

示例：使用 ADC1 单次读取 channel 0 （GPIO36），位宽 12 BIT，衰减 0 db

#include <driver/adc.h>
#include ...
	...
    adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_0,ADC_ATTEN_DB_0);
    int val = adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_0);
    ...

配置 ADC2 的衰减使用函数adc2_config_channel_atten()，与 ADC1 类似。

不同的是 ADC2 不像 ADC1 那样需要一次性配置通道的测量宽度，而是在测量时配置，因此 ADC2 没有单独的用于配置测量宽度的函数。同时，adc2_get_raw()函数有两个参数，返回值不是直接返回测量值，测量值需要用指针从参数中获取。

使用示例：

#include <driver/adc.h>

...

    int read_raw;
    adc2_config_channel_atten( ADC2_CHANNEL_7, ADC_ATTEN_0db );
    esp_err_t err = adc2_get_raw( ADC2_CHANNEL_7, ADC_WIDTH_12Bit, &read_raw);
    // 判断读取是否成功
    if (err == ESP_OK) { 
        
        printf("读取到的值为：%d\n", read_raw );
    } else if ( r == ESP_ERR_TIMEOUT ) { 
        
        printf("ADC2 被占用\n");
    }

使用以下头文件：

#include "esp_adc_cal.h"

使用 ADC 校准转换测量电压需要两步：

1. 获取 ADC-Voltage 特征曲线
2. 调用 API 函数将 ADC 值转换位电压

#include "esp_log.h"
...
#include "esp_adc_cal.h"
#include "driver/adc.h"
...

static esp_adc_cal_characteristics_t *adcChar;
...

	...
	adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
	adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_5, ADC_ATTEN_DB_11);
	
	adcChar = (esp_adc_cal_characteristics_t*)calloc(1, sizeof(esp_adc_cal_characteristics_t));
	esp_adc_cal_value_t cal_mode = esp_adc_cal_characterize(ADC_UNIT_1, ADC_ATTEN_DB_11, ADC_WIDTH_BIT_12, 1100, adcChar);
	
    if (cal_mode == ESP_ADC_CAL_VAL_DEFAULT_VREF){ 
        
        ESP_LOGI("USER", "使用默认参考电压");
    }else if (cal_val == ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF){ 
        
        ESP_LOGI("USER", "使用 eFuse 中的电压");
    }

	uint32_t readRaw;
    uint32_t voltage;

    readRaw = adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_5);
    voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(readRaw, adcChar);
	...
	
...

使用函数hall_sensor_read()读取霍尔传感器。读取到的值是 12 位宽 (范围0-4095)。因此 霍尔传感器使用前（即调用hall_sensor_read()之前）必须通过调用adc1_config_width()来将ADC1配置位12位宽。

注意：霍尔传感器采用 ADC1 的通道 0 和 3。不要将这些通道配置为ADC通道。同样，也不要将其他任何东西连接到这两个通道对应的 GPIO 上（GPIO36 和 GPIO39），也不要对这两个IO口做任何配置。否则可能会影响传感器对低值信号的测量。

#include <driver/adc.h>

...

    adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
    int val = hall_sensor_read();

将 ESP32 eFuse 中的参考电压输出到 ADC2 的 GPIO25上（对应 channel 8），然后用 ADC1 的Channel 5（对应GPIO33）去测量。每 1 秒测量一次，每次连续取样 12 个点求平均值，然后转换成电压。并输出读取到的电压和转换前的ADC值。

因此，将开发板上的 GPIO25 和 GPIO33连接起来即可

#include <iostream>
#include "driver/adc.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_adc_cal.h"

static esp_adc_cal_value_t cal_val;
static esp_adc_cal_characteristics_t *adcChar;

namespace AdcTask { 
        
    static void adc_task(void *args);
}

static void AdcTask::adc_task(void *args) { 
        
    /*ADC1_channel_5 is GPIO33*/
    TickType_t tick = xTaskGetTickCount();
    uint32_t readRaws;
    uint32_t voltage;
    
    while (true){ 
        
        readRaws = 0;
        for (int i = 0; i < 12; i++){ 
        
            readRaws += adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_5);
        }
        readRaws /= 12;
        voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(readRaws, adcChar);
        std::cout << "Read OK, voltage is: " << voltage << " mV" << std::endl;
        std::cout << "readRaws is: " << readRaws << std::endl;

        vTaskDelayUntil(&tick, pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

extern "C" void app_main(void) { 
        
    esp_err_t status = adc_vref_to_gpio(ADC_UNIT_2, GPIO_NUM_25);
    if (status == ESP_OK) { 
        
        std::cout <<"v_ref routed to GPIO" << std::endl;
    } else { 
        
        std::cout <<"failed to route v_ref" << std::endl;
    }

    adc1_config_width(adc_bits_width_t::ADC_WIDTH_BIT_12);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_5, ADC_ATTEN_DB_11);
    adcChar = (esp_adc_cal_characteristics_t*)calloc(1, sizeof(esp_adc_cal_characteristics_t));
    cal_val = esp_adc_cal_characterize(ADC_UNIT_1, ADC_ATTEN_DB_11, ADC_WIDTH_BIT_12, 1100, adcChar);
    if (cal_val == ESP_ADC_CAL_VAL_DEFAULT_VREF){ 
        
        std::cout << "使用默认参考电压" << std::endl;
    }else if (cal_val == ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF){ 
        
        std::cout << "使用 eFuse 中的电压" << std::endl;
    }

    xTaskCreate(AdcTask::adc_task, "ADC", 1024, nullptr, 5, nullptr);
}