【嵌入式學習心得#4】解析8051 埋控的 ADC 功能

Posted By Ryan Hu on 10 月 28, 2018 in 教學文, 評測, 開發主板 | 0 comments

作者：Ryan Hu

上次由於篇幅的緣故，和大家分享 8051 的 UART 之後，沒能繼續把 ADC 講完，本篇以最簡單的例子—電壓大小變化，來實作這顆 SN8F5701 埋控的 ADC 功能，文末也會稍微提到我目前正在進行的專案，與 2.4G RF 有關。

類比與數位

我們都知道現實世界是「類比」的，不過類比實在太複雜，於是聰明的人類創造出「數位」來簡化問題。如果不夠清楚，就想像類比是「連續數值的變化」，而數位只有 0 或 1，這之間的轉換牽涉到很多複雜的數學運算，像是傅立葉轉換（fourier tranform），將 time domain 的 data 轉成 frequency domain，讓原本看似沒意義的 function curve 突然間有了生命。ADC的功用就在於將類比形式的連續訊號，轉換為數位形式的離散訊號。

ADC轉換訊號簡易圖（圖片來源：Wikipedia）

ADC（Analog to Digital Converter）

這顆埋控 ADC 的部分是用 SAR 架構（聽說還有很多種），有6 個可以設為 analog input 的 pin 腳位，解析度有 4096 steps。在腦中想像一下長條圖 y 軸的刻度，就是 4096 階；如果 4096 階這個值不變， reference high voltage 和 VSS（通常都是接地 0V）相差的越小（下方會說明），解析度相對就會提高。但這有利有弊，除非進來的 analog 訊號數值和變化真的不大，否則這個情況很難發生。

上述提到的 reference high voltage（參考高電位）和 clock rate 是 ADC 中相當重要的一環，這顆埋控有四個 clock rate 可以選擇，以 datasheet 裡面提到的 converting rate，我目前的理解是每次每個數值轉換（analog to digital）的速率。所以，如果類比訊號進來的很快，但 MCU ADC 的 converting rate 設得太低，讀出來的數值可能會有問題。

之所以說以我目前的理解，是因為我在別顆埋控的 datasheet 裡面有看過 ADC sampling rate，至於這和 converting rate 是否相同，詢問前輩後得知，在大部分的狀況下是一樣的，但有些進階的 ADC 上會不一樣（就我所知 sampling rate 越高，表示越能模擬出真正 analog 訊號的全貌）。

談到參考高電位， SN8F5701 提供 4 個 sources 給開發者選擇，分別是 VDD、4V、3V、2V，以 3V 舉例，因為埋控規定 VSS (0V) <= sampled input voltage 一定要 <= 參考高電位。如果 reference high voltage 設定為 3V ，我只能去測量 0-3V 之間的數值，而 4096 這個解析度，就是將 0-3V 分割成 4096 階，去定義進來的 analog 訊號該對應到什麼二進位的數值，如下圖：

訊號資料轉換圖（圖片來源：類比數位資料轉換器 ADC 介紹）

ADC 中類比與數位的轉換過程

在 initiate ADC 之間，來談談整個轉換流程在這顆埋控中是怎麼進行的。首先要讓 ADC enable （ADENB=1），接著要讓 ADC 開始可以轉換數值（ADS=1），轉換結束後硬體自行將 ADS 變為 0 表示轉換結束，硬體也會把其他兩個 flag – EOC 和 ADCF 拉 HIGH 為 1，另外轉換好的數值就存在 ADB [11:4] 和 ADR [3:0] 兩個 registers。

而上方提到的 ADCF 其實是和 ADC 的 interrput 做搭配的。ADCF 為 1 時，如果開發者有 enable adc interrput（EADC=1），這時 ISR 會被觸發，在觸發「前」ADCF flag 就會被硬體清掉。但我並沒有用 ADC interrupt 的功能，原因下方我會說明。

*ADC 功能的初始設定的程式碼（連結）

要作為 ADC pin 腳位，首先要將 pin 設定為 input mode，再用 POCON 設為 pure analog input pin。重點是，同時間只能有一隻腳位為 analog pin，因為這顆埋控 analog 和 digital I/O 的腳位是共用的，所以非 analog pin 的腳位一律要設定好是 digital，否則會出現問題。

根據四種不同的 clock rate（ADR 的 ADCKS 設定）會對應出不同的 converting time（converting time 的時間是指從開始轉換 <ADS=1> 到結束 <EOC=1> 這段時間），我是直接開到最大，用 fosc / 1 的 clock rate 在跑，至於 reference high voltage 我是用內部 VDD（5V）作為參考高電位，因此可以利用電源供應器給 P01 這隻 pin 腳 0-5V 的類比訊號作為測試。

*部分程式碼（連結）

上方程式碼片段總共有以下三個重點：

要讀出來總要看得到是多少，所以需搭配 UART 以顯示在我的 console 上。
我之所以沒有開 ADC 的 interrupt 是因為我不需要這個常取值（但還是看如何應用，所以也不一定），我反而是用 timer0 計時，在 main 裡面每隔 1 秒讀一次 ADB 和 ADR 的值
因為轉換結束後不僅 EOC 會被系統拉 HIGH，ADS 也會拉 LOW，所以為了啟動下一次的轉換，勢必得清掉 EOC 並且拉 HIGH ADS

小結

理解整個原理且成功運行後，就可以在 PC 的 console 上面看到，隨著電源供應器的旋鈕被轉動，console 上顯示的數值就會跟著改變。那麼 SN8F5701 大致玩完，ADC 的功能測試就告一個段落了，雖然沒有到很深，但該摸的基本上都有摸到，繼續往下一顆埋控前進。

最後提一下我目前手邊正在進行的專案，是利用 Amiccom A8106 2.4G RF module 實作發射與接收器，RF 事實上比我想像中還要複雜，因為它是廠商自定義的 protocol，而且還要 based on 這個 protocol 去做不同的 use case（像是學習模式，接收器可以認得三隻發射器等），屆時再來分享囉！

（責任編輯：賴佩萱）