Аналоговые измерения с Arduino. Обработка и oтображение сигналов на частоте преобразования АЦП
Несколько слов в продолжение рассуждений о точности АЦП (см. предыдущую ). На эту тему написан не один десяток хороших книг, поэтому выделим основную проблему: для АЦП Arduino измерение идет относительно так называемого источника эталонного напряжения (который иногда называют ИОН - источник опорного напряжения ).
Выбор этого источника происходит при вызове функции analogReference(type) , где type может принимать одно из трех значений:
- DEFAULT : напряжение питания, около 5 Вольт (по умолчанию, после старта скетча);
- INTERNAL : встроенный ИОН - 1.1 Вольт для ATmega168 и 2.56 Вольт для ATmega8;
- EXTERNAL : напряжение на пине AREF.
Это подводит нас к грустному, но неотвратимому выводу - точность лучше одного вольта при использовании DEFAULT нам заказана . Может быть, нам поможет INTERNAL?
Тут нас будет ждать второе разочарование - дело в том, что внутренний источник опорного напряжения ATmega требует предварительной калибровки . Надо взять эталонный источник напряжения, подать его на аналоговый пин и сравнить с внутренним, получив таким образом поправку, компенсирующую т.н. систематическую погрешность. Полученное значение надо сохранить в EEPROM микроконтроллера, поскольку оно индивидуально для каждого конкретного чипа, а в скетче считывать после старта. Немного занудно, но ничего сложного. Но, быть может, есть более простой путь?
Надо каким-то образом подать внешнее опорное напряжение на наш АЦП, да поточнее (это вариант EXTERNAL). В этом нам могут помочь:
Этот прием я использовал в схеме SMPReaderUSB , для измерения напряжения внутренней литиевой батареи модуля МПО-10. Резистор R9 22К выбран с таким расчетом, чтобы через LM385 протекал небольшой ток, как и положено по его документации. Измеряемый вход BATT притянут через R10 22K к земле на тот случай, если модуль не подключен и вход ADC0 повис в воздухе.
Далее, происходит считывание с двух аналоговых пинов - к одному подключен измеряемый источник напряжения BATT (ADCm), к другому - LM385 (ADC385). Оба значения передаются в хост-программу на PC, которая вычисляет пропорцию:
Um = ADCm * 1,235 / ADC385
Значение опорного напряжения в этой формуле не участвует, и хотя зависимость по-прежнему есть, выведя это значение из формулы мы понизили его влияние на пару порядков (речь про ошибку квантования). Такой способ позволяет улучшить точность до 0,03 В, что - согласитесь - для Arduino весьма неплохо!
Arduino имеет несколько аналоговых входов, используя которые можно измерять параметры аналоговых величин. Это может быть напряжение, ток, сопротивление, температура, свет и так далее. В некоторых случаях для преобразования физических величин в электрические сигналы могут потребоваться специальные датчики. Сегодня я расскажу об использовании и проведу тест производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) Arduino . Тест я буду производить, используя оригинальную плату Arduino Mega 2560, в основе которой лежит микроконтроллер ATMega 2560, работающий на частоте 16 Мгц. Микроконтроллер ATMega328 , на котором основаны Arduino Uno и Arduino Nano , также работает на частоте 16 МГц, так что все вышеизложенное, скорее всего, справедливо и для этих и аналогичных плат.
analogRead
Давайте посмотрим сколько же времени занимает аналого-цифровое преобразование с использованием стандартной функции analogRead .
Для определения моментов начала и конца преобразования я буду использовать 12 вывод в качестве маркера. Для начала повторим эксперимент, который я описывал в статье . Будем изменять уровень напряжения на 12 цифровом пине между состояниями LOW и HIGH . Для чистоты эксперимента я помещу внутрь loop бесконечный цикл.
Скетч, реализующий простые переключения на 12 цифровом выводе выглядит следующим образом:
void setup() { DDRB = B01000000; //устанавливаем 12 пин в режим выхода } void loop() { while(1) { PORTB = B01000000; // устанавливаем пин 12 в состояние HIGH PORTB = B00000000; // устанавливаем пин 12 в состояние LOW } }
Воспользуемся осциллографом и посмотрим на временные параметры работы этой программы:
Отсюда видно, что время переключения состояния пина занимает у нас 62 нс (длительность положительного импульса).
Теперь немного изменим скетч и добавим между переключениями функцию чтения аналогового сигнала analogRead на 3 аналоговом пине:
int analogPin = 3; // входной аналоговый пин int analogValue = 0; void setup() { DDRB = B01000000; // устанавливаем 12 пин в режим выхода } void loop() { while(1) { PORTB = B01000000; // устанавливаем пин 12 в состояние HIGH analogValue = analogRead(analogPin); // читаем аналоговый сигнал PORTB = B00000000; // устанавливаем пин 12 в состояние LOW analogValue = analogRead(analogPin); // читаем аналоговый сигнал } }
int analogPin = 3 ; // входной аналоговый пин int analogValue = 0 ; // значение аналогового сигнала void setup () DDRB = B01000000 ; // устанавливаем 12 пин в режим выхода void loop () while (1 ) PORTB = B01000000 ; // устанавливаем пин 12 в состояние HIGH // читаем аналоговый сигнал PORTB = B00000000 ; // устанавливаем пин 12 в состояние LOW analogValue = analogRead (analogPin ) ; // читаем аналоговый сигнал |
Осцилограмма сигнала на 12 цифровом пине теперь будет выглядеть следующим образом:
Длительность переключения в 62 нс и время циклического возврата к началу работы программы в 124 нс не превышают погрешность измерения на этом временном масштабе и мы можем пренебречь этими временными промежутками. Отсюда видно, что время, которое затрачивается на аналого-цифровое преобразование примерно равно 112 мкс, поэтому максимальная частота выборки при использовании функции analogRead не превышает 8.9 кГц.
Недостатком использования analogRead является еще и то, что Arduino не может выполнять другой код во время ожидания результата преобразования.
Используем прерывания АЦП
Так как ATMega2560 не использует ядро процессора при захвате аналоговых сигналов, то это пустая трата возможностей обработки. Особенно, когда нам необходима непрерывная выборка сигнала. Такую выборку можно реализовать несколько более сложным способом, используя прерывания. Так как нет встроенной функции для установки аналогового преобразования с прерываниями, то регистры, связанные с АЦП, должны быть обработаны вручную.
Разовая выборка
Разовая выборка — это на самом деле то, что Arduino делает при вызове функции analogRead . Мы не сможем получить значительных преимуществ, реализовав разовую выборку с помощью других средств. Поскольку перед запуском АЦП, в первую очередь проверяется флаг готовности АЦП, то это означает, что проверка флага в цикле ничем не отличается от того, что делает Arduino.
Непрерывная выборка
Хорошей идеей при непрерывной выборке сигнала является использование прерываний. Микроконтроллеры ATMega328 и ATMega2560 могут быть переведены в режим непрерывной выборки (free running mode ). В этом режиме АЦП запускается автоматически после завершения предыдущей обработки. Каждый раз преобразование заканчивается генерированием прерывания, которое вызывает функцию обработки прерывания ISR (ADC_vect) , в которой результат аналого-цифрового преобразования может быть считан и обработан.
Для включения режима непрерывной выборки необходимо установить три регистра: ADMUX , ADCSRA и ADCSRB . Детальное описание этих регистров можно найти в технических руководствах к микроконтроллерам.
Внутреннее опорное напряжение 1.1 В и входной аналоговый канал ADC3 выбираются при помощи ADMUX . Тактовая частота задается при помощи ADCSRA и в нашем примере установлена в виде делителя ÷16. Одно аналоговое преобразование занимает 13 тактовых периодов. Частота дискретизации может быть вычислена, исходя из тактовой частоты микроконтроллера: 16 Мгц/(16*13) ≈ 77 кГц. Установкой 6 бита регистра ADCSRA в состояние HIGH , запускается непрерывная выборка.
Результат аналого-цифрового преобразования считывается в функцию обработки прерывания ISR (ADC_vect) . Поскольку, результат имеет длину 10 бит, то он делится на два регистра ADCL и ADCH , размером в один байт каждый. Для корректного чтения значения сначала нужно считать значение регистра ADCL , а затем — регистра ADCH .
Пример скетча, в котором результат, полученный из АЦП копируется в целочисленную переменную analogValue:
int analogValue = 0; // значение аналогового сигнала void setup() { DDRB = B01000000; // pin 12 в режиме OUTPUT DIDR0 = 0x3F; // отключаем цифровые входы ADMUX = 0x43; // измеряем на ADC3, используем внутреннее опорное напр.= 1.1В ADCSRA = 0xAC; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 16 ADCSRB = 0x40; // включаем АЦ коналы MUX, режим скользящей выборки bitWrite(ADCSRA, 6, 1); sei(); // устанавливаем флаг прерывания } void loop() { } /*** Процедура обработки прерывания АЦП ***/ ISR(ADC_vect) { PORTB = B00000000; // пин 12 переводим в состояние LOW analogValue = ADCL; // сохраняем младший байт результата АЦП analogValue += ADCH << 8; // сохраняем старший байт АЦП PORTB = B01000000; // пин 12 переводим в состояние HIGH }
int analogValue = 0 ; // значение аналогового сигнала void setup () DDRB = B01000000 ; // pin 12 в режиме OUTPUT DIDR0 = 0x3F ; // отключаем цифровые входы ADMUX = 0x43 ; // измеряем на ADC3, используем внутреннее опорное напр.= 1.1В ADCSRA = 0xAC ; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 16 ADCSRB = 0x40 ; // включаем АЦ коналы MUX, режим скользящей выборки bitWrite (ADCSRA , 6 , 1 ) ; // Запускаем преобразование установкой бита 6 (=ADSC) в ADCSRA sei () ; // устанавливаем флаг прерывания void loop () /*** Процедура обработки прерывания АЦП ***/ ISR (ADC_vect ) PORTB = B00000000 ; // пин 12 переводим в состояние LOW analogValue = ADCL ; // сохраняем младший байт результата АЦП analogValue + = ADCH << 8 ; // сохраняем старший байт АЦП PORTB = B01000000 ; // пин 12 переводим в состояние HIGH |
Результат работы программы на экране осциллографа:
Для измерения времени выполнения мы переводим состояние пина в LOW , затем считываем АЦП, после чего вновь устанавливаем высокий уровень. На вызов обработчика прерывания требуется время, с этим и связана достаточно большая продолжительность положительной части периода.
Цикл loop теперь полностью свободен и может использоваться для обработки какого-либо кода.
Опорное напряжение
Для измерения аналогового сигнала у нас должен быть некоторый уровень напряжения, с которым мы будем производить сравнение. В микроконтроллерах ATMega328 и ATMega2560 , которые используются в Arduino опорное напряжение также является максимальным напряжением, которое может быть измерено. Напряжения всегда измеряются относительно земли. В Arduino есть три возможных источника опорного напряжения: AV cc — которое соединяется с цифровой линией питания 5 В, внутреннее напряжение 1.1 В (для Arduino Mega возможен еще вариант 2.56 В) и внешний источник опорного напряжения. Из-за того, что измерение входных напряжений производятся относительно опорного напряжения, флуктуации опорного напряжение оказывают влияние на результат.
Опорное напряжение можно установить, используя функцию или при помощи битов REFT в регистре ADMUX .
Опорное напряжение AV cc
AV cc является опорным напряжением по умолчанию и оно используется когда измеряемые напряжения напрямую зависят от напряжения источника питания. Например, в случае, где нужно измерить напряжение в резисторном полумосте, как показано на рисунке ниже.
Использование опорного напряжения 5В при измерении сопротивления в полумосте
Если по каким-то причинам напряжение источника питания упадет, то и напряжение в точке соединения двух резисторов упадет пропорционально. Из-за того, что теперь опорное и входное напряжение изменяются пропорционально, то и результат АЦП останется таким же.
Внутренне опорное напряжение 1.1 В
Используйте внутреннее опорное напряжение 1.1 В для точных измерений внешних напряжений. Опорное напряжение 1.1 В более стабильно и не зависит от изменения напряжения питания или температуры. Таким образом, можно производить измерения абсолютных значений. В Arduino Mega также возможен вариант опорного напряжения 2.56 В. примере на рисунке ниже используется опорное напряжение 1.1 В и делитель напряжения 10:1 для измерения внешнего напряжения в диапазоне от 0 до 11 В.
Использование внешнего опорного напряжения или внутреннего напряжения 1.1 В при измерении внешних напряжений
Погрешность
В соответствии с техническим руководством для микроконтроллеров ATMega328 и ATMega2560 опорное напряжение составляет 1.1 ± 0.1 В. Это достаточно большой допуск. Измеренное опорное напряжение тестируемой Arduino Mega 2560 было 1.089 В при температуре окружающего воздуха 21 °С и температура корпуса микроконтроллера была 29 ºC.
Я охладил корпус микроконтроллера, не проводящим ток охлаждающим спреем Kontakt Chemie FREEZE 75/200 до температуры -18 °С, при этом измеренное опорное напряжение снизилось до 1.084 В. Таким образом, температурный дрейф составил примерно 100 ppm (миллионных долей) / °C.
Тестовый скетч:
int analogPin = 3; // входной аналоговый пин void setup() { analogReference(INTERNAL1V1); // выбираем внутреннее опорное напряжение 1.1В Serial.begin(9600); } void loop() { int analogValue = analogRead(analogPin); // читаем значение на аналоговом входе Serial.println(analogValue); // выводим его в последовательный порт delay(300); }
int analogPin = 3 ; // входной аналоговый пин void setup () // выбираем внутреннее опорное напряжение 1.1В Serial . begin (9600 ) ; void loop () // читаем значение на аналоговом входе Serial . println (analogValue ) ; // выводим его в последовательный порт delay (300 ) ; |
Аналоговый пин 3 был подключен к источнику напряжения 0.545 В. При температуре 29 °C результат должен быть: (0.545/1.089)*1024 = 512 (реально полученное значение — 511). При температуре -18 °C должно быть (0.545/1.084) * 1024 = 515 (реально полученное значение тоже 515).
Как показал эксперимент, температурный дрейф небольшой и для точных измерений при использовании Arduino его нужно откалибровать из-за его большой общей неопределенности опорного напряжения, составляющей около 10%.
Шум
Одним из способов измерить уровень шума является определение разброса значений, получаемых с АЦП. Для этого подадим стабилизированное постоянное напряжение на один из аналоговых входов и преобразованные при помощи АЦП значения используем для построения гистограммы.
Тестовая цепь
Схема на рисунке ниже обеспечивает тестовое напряжение для Arduino .
Схема, подающая регулируемое постоянное напряжение на аналоговый вход Arduino
Стабилизированный регулируемый источник питания выдает напряжение 0.55 В, что составляет половину от опорного напряжения в 1.1 В. На фотографии ниже видно, что встроенный в мой регулируемый источник питания вольтметр явно привирает, показывая напряжение на выходе 0.4 В.
Сигнал дополнительно фильтруется при помощи цепочки R1 , C1 , C2 и подключается через резистор R2 , имеющий сопротивление 100 Ом к аналоговому входу A3 Arduino . Земля подключается к пину GND Arduino .
Шумовая составляющая на входе Arduino выглядит следующим образом:
Отсюда видно, что среднеквадратическое значение амплитуды переменной составляющей измеряемого напряжения на входе АЦП Arduino составляет лишь единицы милливольт.
Биннинг
АЦП микроконтроллеров ATMega328 и ATMega2560 имеет разрешение 2 10 = 1024 бита. Идея биннинга состоит в подсчете частоты наблюдения определенного значения. Создается массив со 1024 значениями, называемых бинами, которые представляют каждое из возможных значений АЦП. Так как доступная память ограничена, могут быть созданы бины только размером в байт. Число отсчетов, следовательно, ограничивается 255.
Программы
Протестируем шум, используя функцию analogRead , а затем используем прерывания. Две программы, по сути, делают одно и то же: определяют массив, состоящий из 1024 бин. В функции setup все бины инициализируются нулем и выбирается опорное напряжение 1.1 В.
Обе программы производят 10000 фиктивных операций чтения аналогового значения. После этого запускается биннинг и на каждом результате АЦП, соответствующий бин увеличивается на единицу. Если один из 1024 бинов достигнет максимума из 255 значений, выборка останавливается и все 1024 значения бина отправляются на компьютер.
Код примера биннинга измеренных значений, используя функцию analogRead :
Показать/скрыть код
int analogPin = 3; // входной аналоговый пин int sendStatus = 0; // статус передачи int startDelay = 0; byte valueBin; // значения бинов void setup() { analogReference(INTERNAL1V1); // выбираем опорное напряжение 1.1В for (int i=0; i<=1023; i++) valueBin[i] = 0; // очищаем бины Serial.begin(9600); Serial.println("Start"); } void loop() { int analogValue = analogRead(analogPin); // выборка аналогового входа if (sendStatus == 0) { // ничего не делаем первые 10000 выборок if (startDelay < 10000) startDelay++; else { valueBin += 1; // увеличиваем значение бина if (valueBin == 255) sendStatus = 1; } } if (sendStatus == 1) { for (int i=0; i<=1023; i++) { // выводим значение бина Serial.print(i); Serial.print("\t"); Serial.println(valueBin[i]); } Serial.println("Done"); sendStatus = 2; } }
int analogPin = 3 ; // входной аналоговый пин int sendStatus = 0 ; // статус передачи int startDelay = 0 ; byte valueBin [ 1024 ] ; // значения бинов void setup () analogReference (INTERNAL1V1 ) ; // выбираем опорное напряжение 1.1В for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ ) valueBin [ i ] = 0 ; // очищаем бины Serial . begin (9600 ) ; void loop () int analogValue = analogRead (analogPin ) ; // выборка аналогового входа if (sendStatus == 0 ) // ничего не делаем первые 10000 выборок if (startDelay < 10000 ) startDelay ++ ; else valueBin [ analogValue ] + = 1 ; // увеличиваем значение бина // останавливаемся, если бин полон if (valueBin [ analogValue ] == 255 ) sendStatus = 1 ; if (sendStatus == 1 ) for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ ) // выводим значение бина Serial . print (i ) ; Serial . print ("\t" ) ; Serial . println (valueBin [ i ] ) ; Serial . println ("Done" ) ; sendStatus = 2 ; |
Код примера биннинга измеренных значений, используя прерывания:
Показать/скрыть код
int sendStatus = 0; // статус передачи int startDelay = 0; byte valueBin; // значения бинов void setup() { TIMSK0 = 0x00; // отключаем таймер (из-за прерываний) DIDR0 = 0x3F; // отключаем цифровые входы ADMUX = 0xC3; // измеряем на ADC3, без корректировки, внутр.опорное напр. 1.1В ADCSRA = 0xAC; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 128 ADCSRB = 0x40; // Включаем каналы MUX АЦП, режим постоянной выборки bitWrite(ADCSRA, 6, 1); // Запускаем преобразование установкой бита 6 (=ADSC) в ADCSRA sei(); // устанавливаем глобальный флаг прерываний for (int i=0; i<=1023; i++) valueBin[i] = 0; // очищаем бины Serial.begin(9600); Serial.println("Start"); } void loop() { if (sendStatus == 1) { for (int i=0; i<=1023; i++) { // выводим значения бинов Serial.print(i); Serial.print("\t"); Serial.println(valueBin[i]); } Serial.println("Done"); sendStatus = 2; } } /*** Процедура обработки прерывания АЦП ***/ ISR(ADC_vect) { int analogValue = ADCL; // сохраняем младший байт АЦП analogValue += ADCH << 8; // сохраняем старший байт АЦП if (sendStatus == 0) { // ничего не делаем первые 10000 выборок if (startDelay < 10000) startDelay++; else { valueBin += 1; // увеличиваем значение бина if (valueBin == 255) sendStatus = 1; { // останавливаемся, если бин полон } } }
int sendStatus = 0 ; // статус передачи int startDelay = 0 ; byte valueBin [ 1024 ] ; // значения бинов void setup () TIMSK0 = 0x00 ; // отключаем таймер (из-за прерываний) DIDR0 = 0x3F ; // отключаем цифровые входы ADMUX = 0xC3 ; // измеряем на ADC3, без корректировки, внутр.опорное напр. 1.1В ADCSRA = 0xAC ; // включаем АЦП, разрешаем прерывания, делитель = 128 ADCSRB = 0x40 ; // Включаем каналы MUX АЦП, режим постоянной выборки bitWrite (ADCSRA , 6 , 1 ) ; // Запускаем преобразование установкой бита 6 (=ADSC) в ADCSRA sei () ; // устанавливаем глобальный флаг прерываний for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ ) valueBin [ i ] = 0 ; // очищаем бины Serial . begin (9600 ) ; Serial . println ("Start" ) ; void loop () if (sendStatus == 1 ) for (int i = 0 ; i <= 1023 ; i ++ ) { // выводим значения бинов Serial . print (i ) ; Serial . print ("\t" ) ; Serial . println (valueBin [ i ] ) ; } Serial . println ("Done" ) ; sendStatus = 2 ; // останавливаемся, если бин полон} } } |
Тестируемые частоты
Тест проводился с использованием функции analogRead и используя режим непрерывной выборки. Так как в последнем случае частоту выборки можно изменять, то тестировались четыре различные частоты выборки, задаваемые путем изменения значения в строке ADCSRA = 0xAC . Тестируемые частоты: 9.6 кГц (тактовая частота clk ÷128), 19.2 кГц (clk ÷64), 38.4 кГц (clk ÷32) и 76.9 кГц (clk ÷16). Частота выборки при использовании функции analogRead , как мы выяснили выше примерно равна 8.9 кГц.
Результаты
Результаты для обоих способов и различных частот выборки оказались похожими. Выборки разделились на 2 бина и лишь некоторые выборочные значения попали в третий бин. Это значит, что уровень шума во всех случаях достаточно низкий.
Переключение между входами
Выбор аналогового входа осуществляется в строке analogPin =n где n является номером аналогового пина или изменением битов выбора аналогового канала MUX в регистре ADMUX . Особое внимание должно быть уделено при использовании режима непрерывной выборки: аналоговый канал нужно выбрать перед стартом нового аналогового преобразования. В процедуре обработки прерывания выбирается аналоговый вход, который будет считываться в момент следующего прерывания.
Чтобы проверить уровень шума и погрешность при переключении входов, нужно немного изменить представленные выше программы. Второе напряжение подается на аналоговый вход 5. Кроме того, производится биннинг измеренных значений как и при тестировании шума.
= 0xC3 ;int analogValue = ADCL ;
. . .
Результаты
Оба измеренных напряжения видны как два выступа на гистограммах. На рисунке ниже представлены гистограммы пяти тестов: с использованием функции analogRead , непрерывная выборка с clk ÷128, clk ÷64, clk ÷32 и clk ÷16. Измеренные значения первого напряжения (результат обработки АЦП = 511) не отклоняются от предыдущего теста шума. Измерение по-прежнему точное. Окружающих бинов очень мало, это означает, что уровень шума не увеличился.
На каждой из пяти гистограмм показаны две области с выступами, представляющие два измеренных напряжения
Частота выборки и разрешение
Коды, реализующие биннинг использованы и для анализа разрешения и частоты выборки. Для этого теста к аналоговому входу Arduino был подключен генератор функций, как показано на рисунке ниже.
Генератор функций подает с напряжением размаха в 25 мВ и напряжением смещения (= среднему значению) в 0.55 В. На каждом измерении частота сигнала выбирается таким образом, чтобы частота выборки была в 163 раза выше.
Треугольный сигнал выбран из-за того, что каждое значение при квантовании встречается одинаково часто. При биннинге такого сигнала каждое значение бина с минимальным и максимальным значениями напряжения может иметь то же самое число повторений.
Результаты
Результаты тестирования показали, что функция analogRead , работающая с низкой частотой дискретизации и непрерывная выборка с частотой clk ÷128 имеют достаточную плоскую вершину: все значения в диапазоне встречаются с одним и тем же числом повторений. Но на более высоких частотах дискретизации (clk ÷64, clk ÷32 и clk ÷16) возникают провалы в области биннинга и с ростом частоты ситуация ухудшается.
Большая частота выборки приводит к провалам
В технических описаниях на микроконтроллеры ATmega
Очень полезный модуль в составе микроконтроллера — аналого-цифровой преобразователь. Он позволяет микроконтроллеру измерять произвольное напряжение.
В мы описывали, как можно считать логическое состояние входа, то есть "0" или "1". Аналого-цифровой преобразователь считывает величину напряжения на выводах A0-A5. Это дает возможность считать данные с датчика освещенности, измерить напряжение питания и т.д.
Подготовка к работе
На нашем для освоения работы с АЦП есть три переменных резистора. Для их подключения к выводам A0-A2 установите перемычке так, как показано на рисунке:
К выводу A0 подключен подстроечный резистор, расположенный в левом верхнем углу платы и у него есть удобная ручка. Два других меньше и подключены к выводам A1, A2.
Первый пример
Для начала попробуем просто считать напряжение на выводе микроконтроллера A0 и отправить его в COM-порт.
Делается это при помощи функции analogRead()
. Этой функции нужно передать номер вывода, напряжение на котором должно быть измерено и она вернет текущее значение.
Загрузите на плату следующий пример:
В микроконтроллере Atmega8A, который используется на нашей плате , есть модуль АЦП с разрешением 10 бит и возможностью мультиплексирования шести входов. Эти входы пронумерованы A0-A6 (или 14-19).
Измерение производится относительно напряжения питания. Ни в коем случае нельзя подавать на вход отрицательное напряжение или напряжение, превышающее питание! Мы подключили ко входу переменный резистор и наше входное напряжение точно не выйдет за рамки питания.
Теперь разберемся с тем, что нам будет присылать плата. Раз разрешение 10 бит — в десятичном виде значение будет меняться от 0 до 1023. Измерение производится относительно 5-ти вольт, поэтому изменение показаний на 1 соответствует фактическому напряжению 5/1023=4.9мВ. То есть средствами встроенного АЦП микроконтроллера можно измерить напряжение с точностью до 4.9мВ.
Вернемся к скетчу. В результате выполнения строчки …
Val = analogRead(A0) ;
… в переменную val
будет записано оцифрованное напряжение, считанное на выводе A0. Откройте монитор порта (Ctrl+Shift+M) и посмотрите, как меняются показания АЦП при вращении вала переменного резистора. Обратите внимание, что нет нужды настраивать вывод при этом на вход.
Теперь пора немного улучшить работу с модулем аналого-цифрового преобразователя. На практике младшие разряды АЦП могут сильно флуктуировать из-за шумов и их обычно отбрасывают, причем сразу два разряда. При этом остается 8ми-битное число с которым гораздо удобнее работать. Точность при этом получается 5/255=19.6мВ, чего вполне достаточно для большинства ситуаций.
Измените код так, чтобы он присылал 8ми-битное значение. Замените строку с чтением состояния АЦП на это:
Val = analogRead(A0) > > 2 ;
Теперь переменной val мы присваиваем значение считанное из АЦП сдвинутое на два бита вправо. Остальные биты просто отбрасываются.
Второй пример
Теперь мы можем плавно изменять яркость светодиода при помощи ШИМ-модуляции, задавая ее переменным резистором. Установите перемычку "color" так, как описано в . Этим самым вы подключены к 9му, 10му и 11му выводу сегменты трехцветного светодиода.
Для начала попробуем изменять яркость только одного светодиода:
Довольно простой код, если вы помните, как работает функция . При вращении вала переменного резистора светодиод будет менять свою яркость от минимума до максимума.
Кстати, если вы уберете сдвиг на два бита, при выполнении функции analogWrite()
будет наступать переполнение, так как она может принимать только значения от 0 до 255. Попробуйте убрать этот сдвиг и посмотрите, что получится.
И в заключении добавим управление всеми тремя светодиодами. Остается только найти отвертку, чтобы покрутить двумя остальными подстроечными резисторами.
Индивидуальные задания
- Оставьте на шилде только перемычку от резистора на выводе A0 и подключите пьезоизлучатель также, как
Продолжим знакомство с платформой Arduino и в данной статье рассмотрим аналоговые входы.
Основным применением аналоговых входов в тематике Arduino является чтение значений аналоговых датчиков. В тоже время стоит не забыть упомянуть, что аналоговые входы могут использоваться как цифровые порты входов/выходов рассмотренные в предыдущем уроке (об этом в конце статьи).
На плате Arduino UNO их 6 (A0-A5). У других плат количество может отличаться, смотрите в спецификации.
Благодаря встроенному АЦП (аналого-цифровой преобразователь), данные входы могут считывать напряжение подаваемое на них. Микроконтроллеры Atmega 328, используемые в Arduino UNO, содержат шестиканальный АЦП, разрешение которого составляет 10 бит. Это позволяет на выходе получать значения от 0 до 1023 (всего 1024 градации).
// Производим чтение с аналогового входа A0 analogRead (0);Данная функция возвращает значение от 0 до 1023 пропорционально напряжению на аналоговом входе
Пример на практике
В качестве первого примера работы с аналоговыми входами подключим потенциометр.
Для нашей задачи отлично подойдут однообортные потенциометры изображенные на картинке. Не смотря на столь значительные внешние отличия, они мало чем отличаются. Для примера можно использовать любой из них. Большим потенциометром с крутилкой конечно удобнее пользоваться, но он обладает толстыми ножками которые быстро расшатывают контакты макетной платы. В случае, если под рукой имеется отвертка, то, при работе с макетной платой, лучше воспользоваться квадратным потенциометром.
Для эксперимента нам понадобятся:
Перевод значения аналогового сигнала в вольты
Для перевода получившегося значения в вольты достаточно вычислить шаг и умножить его на получаемое значение.
Для вычисления шага поделим опорное напряжение на 1024 градации
5В / 1024 = 0.0049 Вольт
Т.е. При получаемом аналоговом значении в 500, на порт контроллера приходит (500 * 0.0049) 2.45В.
пример программного кода:
float Step = 5.0F / 1024; void setup () { Serial .begin (9600); // Задаем скорость работы монитор порта } void loop () { int analogValue = analogRead (0); // Задаем переменную analogValue для считывания показаний float voltageValue = analogValue * Step; // Переводим в вольты (показание * шаг) Serial .println (voltageValue); // Выводим значение в вольтах в порт delay (500); // Ждем пол секунды }Более точная работа аналогового входа
Для того чтобы добиться более точных показаний с аналогового входа можно использовать 2 варианта:
. Функция analogReference()
Задает опорное напряжение относительно которого происходят аналоговые измерения.
analogReference (type);
Возможные настройки (type ):
DEFAULT : установлено по умолчанию. при данной конфигурации опорное напряжение автоматически принимается за напряжение питания платы Arduino. 5В (на платформах с напряжением питания 5 В) или за 3.3 В (на платформах с напряжением питания 3.3В)
На платформах Arduino "из коробки" вывод AREF не задействован. В этом случае при настройке DEFAULT к выводу подключается внутреннее напряжение AVCC . Соединение является низко-импедансным и любое напряжение подведенное к выводу в этот момент может повредить микросхему ATmega .
INTERNAL : встроенное опорное напряжение 1.1В на микроконтроллерах ATmega168 и ATmega328, и 2.56 В на ATmega8.
Это может пригодиться для более точного измерения напряжения лежащего в пределах ниже 1.1В либо 2.56В . Болле точная работа достигается за счет меньшего шага 5/1024 против 1.1/1024. Значения соответствующее или превышающее 1.1В (2.56В) будут конвертироваться АЦП в 1023.
EXTERNAL : внешний источник опорного напряжения, подключенный к выводу AREF.
После того как мы задали функцию, происходит отключение обоих внутренних источников. Теперь можно подключить внешнее напряжение, которое и будет являться опорным для АЦП. Внешнее напряжение рекомендуется подключать к выводу AREF через резистор 5 кОм.
. Ручная установка опорного напряжения
Актуальна для измерения крайне малого напряжения
Искажения при работе с аналоговыми входами появляются по причине того, что по дефолту за опорное напряжение принимается 5В, в то время как стабилизаторы напряжения на плате Arduino могут немного отклоняться от эталонного значения и выдавать к примеру 4.85В. 4.85 / 1024 = 0.0047 (при эталонном шаге в 0.0049)
В случае, если под рукой имеется точный мультиметр, то можно попросту замерить питающее напряжение и вбить его в расчет, который рассматривался выше.
float Step = 4.85F / 1024; // Вычисляем шаг Uопорн / на градациюИспользование аналоговых входов в качестве цифровых выводов
Аналоговые входы могут использоваться как цифровые порты входов/выходов рассмотренные в предыдущем уроке
Для этого, для UNO, в коде их нужно записывать как цифровые с 14 по 19. К примеру, для A0
// Инициализируем аналоговый pin 0 как выход pinMode (14, OUTPUT ); // Инициализируем аналоговый pin 0 как вход pinMode (14, INPUT );
