S32K系列之ADC

簡介

在S32K中，不同的芯片型號支持的ADC通道不同，S32K144UAVLL有兩個ADC，每個ADC有12位、10位、8位和6位可選，每個ADC有16個外部通道。學習ADC的第一步是要掌握ADC的功能框圖，對ADC的工作過程和編程過程有個整體的瞭解。

ADC功能框圖

對ADC的配置主要涉及三種寄存器，控制狀態寄存器、觸發寄存器和數據寄存器。控制狀態寄存器主要有SC2、SC3、CFG1和CFG2；觸發寄存器主要有SC1和SC2；數據寄存器主要有Rn。

電壓輸入範圍

ADC的輸入電壓範圍爲：$V_{REFL}≤V_{IN}≤V_{REFH}$，ADC的輸入範圍取決於4個參考電源$V_{REFL}、V_{REFH}、V_{DDA}、V_{SSA}$ 。

​ADC的電壓輸入範圍取決於4個參考電源​，我們在設計原理圖的時候一般把​$V_{REFL}$ 和$​V_{SSA}$ 接地，把​$V_{REFH}$ 和$​V_{DDA}$ 接3.3V，可以得到ADC的輸入範圍是0~3.3V。在設計原理圖時，應該把ADC設置爲可以配置成外用輸入電壓參考源，以備不時之需，如下圖所示。

如上圖所示，​有三個選項。

1. 焊接上R103，拆掉R99，R109和D7，電壓參考源爲VDD_MCU，一般爲3.3V
2. 焊接上D7和R99，拆掉R103和R109，R99進行分壓之後爲3V
3. 焊接上R109，拆掉R103，R99和D7。這裏的​是外部輸入電壓引腳，可以配置爲外部電壓參考源

時鐘配置

可以選擇4個時鐘源ALTCLKx之一來作爲ADC模塊的時鐘源。ADC具有多個時鐘源。 選擇取決於配置PCC_ADCn[PCS]。 分頻器的配置應使ADC轉換時鐘頻率在ADC要求的有效範圍內（請參見數據手冊）。如下圖所示爲ADC的時鐘分配圖。

如圖所示，ADC的時鐘源輸入通過PCC_ADCn[PCS]來選擇SOSCDIV2_CLK、SIRCDIV2_CLK、FIRCDIV2_CLK和SPLLDIV2_CLK四種，然後經過ADC_CFG1[ADIV]來時鐘分頻，最後產生ADC的輸入時鐘ADCK，ADCK由數據手冊可得，最大50MHZ，最小2MHZ，典型值爲40MHZ，如果超過最大頻率，ADC的轉換結果會變得不可靠。ADC時鐘設置流程如下：

1. 設置PCC_ADCn[PCS]：選擇時鐘源
2. 設置ADC_CFG1[ADICLK]：選擇時鐘輸入
3. 設置ADC_CFG1[ADIV]：選擇時鐘分頻

轉換時間

數據手冊顯示，ADC的轉換時間取決於：

• ADC_CFG2[SAMPLTS]確定的採樣時間
• MCU的Bus總線時鐘頻率
• ADC_CFG1[MODE]確定的轉換模式
• $f_{ADCK}$即ADC的轉換時鐘頻率

由數據手冊可得，ADC的總轉換時間=採樣相位時間（SMPLTS設置的再+1）+保持相位（1個ADC週期）+比較相位時間（8位模式=20個ADC週期，10位模式=24個ADC週期，12位模式=28個ADC週期）+單個或第一個連續時間加法器（5個ADC週期+5個總線時鐘週期）

例：設置BUS時鐘爲40MHZ，ADC時鐘選擇40MHZ，12位ADC，採樣週期選擇255個ADC週期，計算ADC的一次轉換時間爲：
$T_{conv}=\frac{255+1+1+28+5}{4×10^6 }+\frac{5}{4×10^6}=73.75μs$

觸發設置

ADC觸發設置主要包括寄存器SC2和SC1。ADC支持軟件觸發和硬件觸發兩種，軟件觸發就是在ADC轉換完畢之後產生中斷；在硬件觸發方面，ADC模塊具有可選的異步硬件轉換觸發器ADHWT，主要通過PDB來觸發。觸發設置可見PDB觸發ADC。設置ADC_SC2[ADTRG]來選擇是硬件觸發還是軟件觸發。觸發方式的設置流程如下：

1. 設置ADC_SC2[ADTRG]：選擇觸發方式
2. 設置ADC_SC1n[ADCH]：選擇ADC通道
3. 如果上一步使用了具有硬件交錯功能的通道，則需要設置SIM_CHIPCTL[ADC_INTERLEAVE_EN]位
4. 設置ADC_SC1n[AIEN]：開啓中斷觸發（軟件觸發模式下）

獲得ADC數據

最後轉換成功後，ADC的轉換結果會被存放在ADC_Rn寄存器，ADC_Rn寄存器對應的是ADC_SC1n寄存器，比如ADC_SC1A的數據會存放在ADC_RA，ADC_SC1B的數據會存放在ADC_RB，以此類推。

在不同的轉換位數下，ADC_Rn寄存器的數據位數也不同，如下圖所示。

注：ADC_Rn寄存器是隻讀的

電壓轉換

模擬電壓經過ADC轉換後，是一個相對精度的數字值，如果通過串口以16進制打印出來的話，可讀性比較差，故需要把數字電壓轉換爲模擬電壓，也可以根據實際的模擬電壓（用萬用表測）對比，看看轉換是否準確。

在設計原理圖時，一般會把ADC的輸入電壓範圍定在0~3.3V，若設置的ADC爲12位，那麼12位滿量程對應的就是3.3V，12位滿量程對應的數字值是：$2^{12}$ 。數值0對應的就是0V。如果轉換後的數值爲X，X對應的模擬電壓爲Y，那麼：
$\frac{2^{12}}{3.3}=\frac{X}{Y} → Y=\frac{3.3\times X}{2^{12}}$

實例：ADC觸發中斷

功能概述

• 平臺：S32K144

現在使用S32K144的ADC0通道8，軟件觸發模式下，轉換結束後觸發中斷。

編程順序

1. 初始化ADC0的時鐘
2. 初始化ADC0的位數
3. 選擇ADC0的通道，開啓中斷
   • 如果該通道有硬件交錯功能，需要選擇是哪個ADC通道
4. 選擇軟件觸發
5. NVIC開啓ADC中斷

// ADC初始化函數
void ADC0_Init(void)  
{
	PCC->PCCn[PCC_PORTA_INDEX] |= PCC_PCCn_CGC_MASK;   /* Enable clock for PORTA */
	SIM->CHIPCTL |= (1 << 2);   /* 具有硬件交錯功能，選擇PTB13 */
	 
	PCC->PCCn[PCC_ADC0_INDEX] &= ~PCC_PCCn_CGC_MASK;  
	PCC->PCCn[PCC_ADC0_INDEX] |= PCC_PCCn_PCS(6);     /* PCS=6: 選擇內核時鐘80MHZ */
	PCC->PCCn[PCC_ADC0_INDEX] |= PCC_PCCn_CGC_MASK;  
	 
	ADC0->CFG1 = ADC_CFG1_ADIV(2) |     /* ADIV=2：輸入內核時鐘兩分頻=40MHZ */
	             ADC_CFG1_MODE(1) |     /* MODE=1: 12位ADC */
	             ADC_CFG1_ADICLK(0);    /* ADICLK=0: 默認選擇PCC分配的時鐘 */
		 
	ADC0->SC1[0] = ADC_SC1_AIEN_MASK |    /* AIEN=1: 開啓中斷觸發 */
		          ADC_SC1_ADCH(8);     /* ADCH=8: 序號0選擇通道8 */
	 
	ADC0->SC2 |= ADC_SC2_ADTRG(0);    /* ADTRG=0: 開啓軟件觸發 */
	ADC0->SC3 = 0;       
		  
    S32_NVIC->ICPR[1] = 1 << (39 % 32);  /* 註冊ADC0中斷 */
	S32_NVIC->ISER[1] = 1 << (39 % 32);  /* 使能ADC0中斷 */
	S32_NVIC->IP[39] = 0xA0;             /* 優先級爲10 */
}
/*
 * \brief adcChan通道開啓一次ADC轉換
 *
 * \param adcChan 需要進行ADC轉換的通道
 *
 */
void convertAdcChan(uint16_t adcChan) 
{   
	ADC0->SC1[0] &= ~ADC_SC1_ADCH_MASK;  /* Clear prior ADCH bits */
	ADC0->SC1[0] = ADC_SC1_ADCH(adcChan); /* Initiate Conversion*/
}
 
/*
 * \brief ADC轉換判斷函數
 *
 * \return >0 轉換已完成
 * \return =0 轉換未完成
 *
 */
uint8_t adc_complete(void)  
{
	return((ADC0->SC1[0] & ADC_SC1_COCO_MASK) >> ADC_SC1_COCO_SHIFT); 
}
 
/*
 * \brief ADC值轉換函數
 *
 * \return 返回轉換後的ADC電壓值
 *
 */
uint32_t read_adc_chx(uint8_t ChanIndex)  
{
	uint16_t adc_result = 0;
	adc_result = ADC0->R[ChanIndex]; 
	/* For SW trigger mode, R[0] is used */
	return(uint32_t)((5000 * adc_result) / 0xFFF); 
	/* Convert result to mv for 0-5V range */
}
 
void ADC0_IRQHandler(void)
{
	adcRawValue1 = read_adc_chx(0);
	adcRawValue2 = read_adc_chx(1);
	adcConvDone = true;
}