STC8H开发(三): 基于FwLib_STC8的模数转换ADC介绍和演示用例说明

2023-12-24 11:43:04

目录

前面介绍了在Keil5和PlatformIO环境下使用FwLib_STC8, 接下来以STC8H系列为主, 结合demo中的演示用例介绍ADC(模数转换)

STC8G和STC8H的ADC模数转换

STC8G和STC8H的ADC部分在寄存器设置上基本上一致, 但是不同型号对应的通道编号, 通道数量和精度有区别

通道数量和精度

对应STC8G/STC8H的各个系列的通道数量和精度如下.

产品线 ADC 分辨率 ADC 通道数
STC8H1K08 系列 10 位 9 通道
STC8H1K28 系列 10 位 12 通道
STC8H3K64S4 系列 12 位 12 通道
STC8H3K64S2 系列 12 位 12 通道
STC8H8K64U 系列 12 位 15 通道
STC8H2K64T 系列 12 位 15 通道
STC8H4K64TLR 系列 12 位 15 通道
STC8H4K64TLCD 系列 12 位 15 通道
STC8H4K64LCD 系列 12 位 15 通道

通道的选择使用寄存器ADC_CONTR的低4位, 对应STC8G/STC8H的各个系列, 这个寄存器的数值对应的通道如下

STC8H1K28 STC8H1K08 STC8H3K64S4
STC8H3K64S2		 STC8H8K64U
STC8H2K64T
STC8H4K64TLR		 STC8H4K64TLCD
STC8H4K64LCD		 STC8G1K08A STC8G1K08
STC8G1K08T		 STC8G2K64S4
STC8G2K64S2
0000 P1.0/ADC0 P1.0/ADC0 P1.0/ADC0 P1.0/ADC0 P1.0/ADC0 P3.0/ADC0 P1.0/ADC0 P1.0/ADC0
0001 P1.1/ADC1 P1.1/ADC1 P1.1/ADC1 P1.1/ADC1 P1.1/ADC1 P3.1/ADC1 P1.1/ADC1 P1.1/ADC1
0010 P1.2/ADC2 N/A P1.2/ADC2 P5.4/ADC2 P5.4/ADC2 P3.2/ADC2 P1.2/ADC2 P1.2/ADC2
0011 P1.3/ADC3 N/A N/A P1.3/ADC3 P1.3/ADC3 P3.3/ADC3 P1.3/ADC3 P1.3/ADC3
0100 P1.4/ADC4 N/A N/A P1.4/ADC4 P1.4/ADC4 P5.4/ADC4 P1.4/ADC4 P1.4/ADC4
0101 P1.5/ADC5 N/A N/A P1.5/ADC5 P1.5/ADC5 P5.5/ADC5 P1.5/ADC5 P1.5/ADC5
0110 P1.6/ADC6 N/A P1.6/ADC6 P1.6/ADC6 P6.2/ADC6 N/A P1.6/ADC6 P1.6/ADC6
0111 P1.7/ADC7 N/A P1.7/ADC7 P1.7/ADC7 P6.3/ADC7 N/A P1.7/ADC7 P1.7/ADC7
1000 P0.0/ADC8 P3.0/ADC8 P0.0/ADC8 P0.0/ADC8 P0.0/ADC8 N/A P3.0/ADC8 P0.0/ADC8
1001 P0.1/ADC9 P3.1/ADC9 P0.1/ADC9 P0.1/ADC9 P0.1/ADC9 N/A P3.1/ADC9 P0.1/ADC9
1010 P0.2/ADC10 P3.2/ADC10 P0.2/ADC10 P0.2/ADC10 P0.2/ADC10 N/A P3.2/ADC10 P0.2/ADC10
1011 P0.3/ADC11 P3.3/ADC11 P0.3/ADC11 P0.3/ADC11 P0.3/ADC11 N/A P3.3/ADC11 P0.3/ADC11
1100 N/A P3.4/ADC12 P0.4/ADC12 P0.4/ADC12 P0.4/ADC12 N/A P3.4/ADC12 P0.4/ADC12
1101 N/A P3.5/ADC13 P0.5/ADC13 P0.5/ADC13 P0.5/ADC13 N/A P3.5/ADC13 P0.5/ADC13
1110 N/A P3.6/ADC14 P0.6/ADC14 P0.6/ADC14 P0.6/ADC14 N/A P3.6/ADC14 P0.6/ADC14
1111 1.19Vref 1.19Vref 1.19Vref 1.19Vref 1.19Vref 1.19Vref 1.19Vref 1.19Vref

转换结果的对齐格式

ADC采样的精度实际上是不能设置的, 采样都是用的当前型号的最大精度, 结果存储在[ADC_RES, ADC_RESL]这两个寄存器. 为方便不同场合使用不同精度的结果, 可以将结果设置为左对齐或右对齐.

  • 当设置为左对齐时, 可以只取ADC_RES的值(8位), 忽略最后两位.
  • 当设置位右对齐时, 根据实际的精度, 可以取ADC_RES的低4位(12位精度)或低2位(10位精度), 加上ADC_RESL得到最终结果.

转换的时间消耗

一个完整的 ADC 转换时间为 = Tsetup + Tduty + Thold + Tconvert

  • Tsetup: 转换的通道切换时间, 可以设置为1个或2个ADC时钟周期
  • Tduty: 转换的采样时间, 默认是最低的11个ADC时钟, 最高为32个ADC时钟周期
  • Thold: 通道选择的保持时间, 可以选择1, 2, 3, 4个ADC时钟周期
  • Tconvert: 转换时间是固定的, 10bit精度是10个ADC时钟, 12bit精度是12个ADC时钟

以上的时间单位都是ADC时钟周期, 每个ADC时钟周期占用系统时钟(SYSCLK)的数量是可以设置的, 使用ADCCFG寄存器的低三位, 可以设置为最低2个系统时钟周期到最高32个系统时钟周期

对于转换的最高频率, DS上写了全局限制

  • 10 位 ADC 的速度不能高于 500KHz
  • 12 位 ADC 的速度不能高于 800KHz
  • 转换的采样时间不能小于 10，建议设置为 15

硬件连线

STC8G/STC8H的ADC硬件连线有两种: 带AVcc,AGrnd和不带AVcc,AGrnd

带 AVcc,AGrnd

高端型号STC8H3K64S2系列, 例如会带这两个pin脚, 分别对应的是转换目标的电压参考值和对地参考值. 对于普通使用, 这两个可以直接接到VCC和GND, 连线为

   AGrnd   -> GND
   AVcc    -> VCC
   AVref   -> VCC 
   Vcc     -> VCC
   Gnd     -> GND
   ADC1    -> 采样点

不带 AVcc,AGrnd

低端型号以及STC8G系列不带这两个pin, 只需要接AVref, 采样点与MCU共地连接, 连线为

   AVref   -> VCC 
   Vcc     -> VCC
   Gnd     -> GND
   ADC1    -> Test voltage

演示用例说明

以下演示用例, 基于 FwLib_STC8, 源代码位于 FwLib_STC8/demo/adc 目录, 可以自行下载或查看. 因为版本演变, 代码可能与仓库中的代码有出入, 以仓库中的最新版本为准.

关于如何运行演示用例, 可以参考前面介绍的Keil C51和VSCode PlatformIO的配置说明

使用ADC1进行8位ADC转换, 主动查询(polling)方式

下面的例子, 使用主动查询的方式每隔0.1秒对P1.1口进行ADC转换, 精度8位, 将结果输出至串口

main.c代码

#include "fw_hal.h"

void main(void)
{
    uint8_t res;
    // 调整系统频率, 如果使用STC-ISP设定频率, 需要将这行注释掉
    SYS_SetClock();
    // 用于结果输出
    UART1_Config8bitUart(UART1_BaudSource_Timer2, HAL_State_ON, 115200);
    // 将 ADC1(GPIO P1.1) 设为高阻输入
    GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_1, GPIO_Mode_Input_HIP);
    // 使用通道: ADC1
    ADC_SetChannel(0x01);
    // 设置ADC时钟 = SYSCLK / 2 / (1+1) = SYSCLK / 4
    ADC_SetClockPrescaler(0x01);
    // 设置结果左对齐, 只需要取值 ADC_RES
    ADC_SetResultAlignmentLeft();
    // 开启ADC电源
    ADC_SetPowerState(HAL_State_ON);

    while(1)
    {
        // 开始转换
        ADC_Start();
        // 等待两个系统时钟
        NOP();
        NOP();
        // 检查转换结果标志位是否置位
        while (!ADC_SamplingFinished());
        // 清除结果标志位
        ADC_ClearInterrupt();
        // 读取结果
        res = ADC_RES;

        // 通过串口1输出
        UART1_TxString("Result: ");
        UART1_TxHex(res);
        UART1_TxString("\r\n");
        // 等待100ms后再次进行转换
        SYS_Delay(100);
    }
}

使用ADC1进行10位/12位ADC转换, 中断(interrupt)方式

下面的例子, 使用中断的方式对P1.1口进行ADC连续转换, 精度10位(或12位, MCU型号不同精度不同), 每隔0.1秒将结果输出至串口

#include "fw_hal.h"

// 16位变量用于记录转换结果
uint16_t res;

// 处理中断的方法, 使用宏定义保证Keil C51和SDCC的兼容性
INTERRUPT(ADC_Routine, EXTI_VectADC)
{
    // 先清除中断位
    ADC_ClearInterrupt();
    // 结果低8位
    res = ADC_RESL;
    // 结果高8位
    res |= (ADC_RES & 0x0F) << 8;
    // 再次启动, 使得ADC连续转换, 
    ADC_Start();
}

void main(void)
{
    // 设置系统频率
    SYS_SetClock();
    // 结果输出
    UART1_Config8bitUart(UART1_BaudSource_Timer2, HAL_State_ON, 115200);
    // 设置P11高阻输入模式
    GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_1, GPIO_Mode_Input_HIP);
    // 使用通道: ADC1
    ADC_SetChannel(0x01);
    // ADC时钟 = SYSCLK / 2 / (1+15) = SYSCLK / 32
    ADC_SetClockPrescaler(0x0F);
    // 右对齐, 方便转换为双字节的结果
    ADC_SetResultAlignmentRight();
    // 开启全局中断和ADC中断
    EXTI_Global_SetIntState(HAL_State_ON);
    EXTI_ADC_SetIntState(HAL_State_ON);
    // 开启ADC电源
    ADC_SetPowerState(HAL_State_ON);
    // 开始ADC转换
    ADC_Start();

    while(1)
    {
        // 转换结果输出
        UART1_TxString("Result: ");
        UART1_TxHex(res >> 8);
        UART1_TxHex(res & 0xFF);
        UART1_TxString("\r\n");
        SYS_Delay(100);
    }
}

使用ADC1, ADC2双通道进行转换, 中断(interrupt)方式

下面介绍一个更实用的例子, 中断形式进行多通道ADC转换, 可以用于无线小车遥控, 双声道音频采样等

#include "fw_hal.h"

// 用于记录当前采样的通道编号
uint8_t pos;
// 记录各通道的采样结果
uint16_t res[2];

// 中断处理方法
INTERRUPT(ADC_Routine, EXTI_VectADC)
{
    ADC_ClearInterrupt();
    // 记录采样结果
    res[pos] = ADC_RESL;
    res[pos] |= (ADC_RES & 0x0F) << 8;
    
    // 切换到下一个通道
    pos = (pos+1) & 0x1;
    if (pos == 0)
    {
        /**
         * 在采样频率较高时, 加上这两句能提高精度. 其机制是切换到开漏模式清除采样口上的残留电压
        GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_1, GPIO_Mode_InOut_OD);
        GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_1, GPIO_Mode_Input_HIP);
        */
        ADC_SetChannel(0x01);
    }
    else
    {
        /**
         * Uncomment these lines in high speed ADC
        GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_2, GPIO_Mode_InOut_OD);
        GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_2, GPIO_Mode_Input_HIP);
        */
        ADC_SetChannel(0x02);
    }
    ADC_Start();
}

// 下面的代码和前面的基本上是一样的, 就不详细注释了
void main(void)
{
    SYS_SetClock();
    // For debug print
    UART1_Config8bitUart(UART1_BaudSource_Timer2, HAL_State_ON, 115200);
    // Channel: ADC1
    ADC_SetChannel(0x01);
    // ADC Clock = SYSCLK / 2 / (1+15) = SYSCLK / 32
    ADC_SetClockPrescaler(0x0F);
    // Right alignment, high 2-bit in ADC_RES, low 8-bit in ADC_RESL
    ADC_SetResultAlignmentRight();
    // Enable interrupts
    EXTI_Global_SetIntState(HAL_State_ON);
    EXTI_ADC_SetIntState(HAL_State_ON);
    // Turn on ADC power
    ADC_SetPowerState(HAL_State_ON);
    // Set ADC1(P1.1), ADC2(P1.2) HIP
    GPIO_P1_SetMode(GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2, GPIO_Mode_Input_HIP);
    // Start ADC
    ADC_Start();

    while(1)
    {
        UART1_TxString("Result: ");
        UART1_TxHex(res[0] >> 8);
        UART1_TxHex(res[0] & 0xFF);
        UART1_TxChar(' ');
        UART1_TxHex(res[1] >> 8);
        UART1_TxHex(res[1] & 0xFF);
        UART1_TxString("\r\n");
        SYS_Delay(100);
    }
}

结束

以上就是STC8H使用FwLib_STC8封装库进行ADC转换的演示用例说明. 在实际使用中, 主动查询(polling)方式下的延时时间精度不高,
如果对采样的时间间隔精度有要求, 建议使用中断的形式.

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