AVR a AD převodník

Minulé dva díly byl zaměřeny prakticky. Dnes si uvedeme nějakou tu teorii k AD převodníku procesorů AVR a ukážeme si jednoduchý příklad, jak jej použít.

Protože mikroprocesor ATMEGA16 obsahuje zabudovaný AD převodník, je možné tento procesor využít pro měření různých elektrických i neelektrických veličin. My si dnes ukážeme příklad, jak toho využít.

V mnoha aplikacích jednočipových mikropočítačů se může hodit měření napětí, případně jiných veličin, které se dají na napětí převést. Jak už bylo uvedeno výše, procesor ATMEGA16 nám dává možnost měřit napětí zabudovaným AD převodníkem s postupnou aproximací o rozlišení až 10 bitů, což ve většině případů bohatě stačí. Mnohdy se dokonce spokojíme s nižším rozlišením a díky tomu získáme daleko větší rychlost převodu (menší doba nutná pro převod).

Než začneme s úvodem do použití AD převodníku, uvedeme si jeho základní vlastnosti:

• až 10bitové rozlišení
• nelinearita max. 0,5 LSB
• přesnost ± 2 LSB
• průměrný čas konverze 65-260 µs (15 000 vzorků za sekundu)
• celkem 8 možných vstupů (multiplexovaných)
• 7 rozdílových vstupů (2 s možností nastavení zisku)
• nastavitelné rozlišení
• vstupní napětí a reference v celém rozsahu napájení
• nastavitelná vnitřní reference 2,56 V
• možnost volby mezi ručním spouštěním a kontinuálním během
• možnost spuštění přerušení po dokončení konverze

Začínáme s AD převodníkem

Pro řízení zabudovaného AD převodníku používáme několik speciálních registrů. Jedním z nich je registr AMUX. Rozložení řídících bitů registru si můžete prohlédnout na následujícím obrázku.

První dva bity slouží k nastavení analogové reference. Následující tabulka ukazuje, jak nastavit jednotlivé bity.

Bitem ADLAR zarovnáváme výsledek. Ve výchozím stavu je nulován a výsledek je zarovnán standardně doprava. Nastavením bitu zarovnáme výsledek doleva

Zbytek bitů registru slouží pro nastavení kanálu, případně diferenčních kanálů

Dalším důležitým registrem je registr ADCSRA. Tento registr řídí převod a informuje nás o stavu převodu.

Bit ADEN zapíná a vypíná AD převodník. Pokud je během nastavení do nuly prováděn převod, je ihned ukončen.

Bit ADSC začne s AD převodem na vybraném kanálu (nebo dvojici diferenčních kanálů). Čtením tohoto bitu také zjistíme, v jakém stavu je převod. Pokud převod stále probíhá, je bit nastaven. Pokud je bit vynulován, byl převod dokončen.

Bitem ADATE povolujeme spouštění převodu externími zdroji signálu (čítač/časovač, vnější přerušení…)

Bity ADIF a ADIE slouží pro indikaci a povolení přerušení po dokončení převodu.

Rychlost převodu nastavíme posledními třemi bity. Pro konkrétní hodnoty si pozorně prostudujte datasheet.

Posledním důležitým registrem pro práci sAD převodníkem procesoru AVR je registr SFIOR. Tento registr nastavuje zdroj spouštění převodu. Pro podrobnější informace si prostudujte katalogový list. Konkrétně se jedná o bity ADTS2, ADTS0

Nyní nám už nezbývá nic jiného, než si vyzkoušet nově nabyté znalosti. Konkrétně půjde o program zobrazující hodnotu naměřeného napětí na LCD displeji. O tom, jak ovládat LCD displej, si budete moci přečíst v jednom z příštích dílů. Ale už v tuto chvíli se o tom něco můžete dozvědět na serveru Květákov.net.

Procesor měří dvě napětí na dvou kanálech a po přepočtu je zobrazuje na LCD. Program je popsán podrobněji pod zdrojovým kódem.

define ADC_VREF_TYPE 0x40
#define F_CPU 147456000

#include <avr/io.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <util/delay.h>
#include "lcd_lib.h"

void delay_ms(unsigned int val)
{
    unsigned int i;
    for (i = 0; i < val; i++)
        _delay_loop_2(3686);
}

unsigned int read_adc(unsigned char kanal)
{
    ADMUX = kanal;
    ADCSRA| = 0x40;
    while ((ADCSRA & 0x10)==0);
    ADCSRA |= 0x10;
    return ADCW;
}

int main(void) 
{
    unsigned int vysledek;
    unsigned char kanal = 0;
    float realne;    

    PORTC = 0x00;
    DDRC = 0xFF;
    PORTD = 0x00;
    DDRD = 0x3C;

    LCD_Init();
    LCD_WriteCString("Napeti: ");
    ADMUX = ADC_VREF_TYPE;
    ADCSRA = 0x87;


    while (1)
    {
        vysledek = read_adc(kanal);
        realne = (float) 5.03 / 1023;
        realne = (float) realne * vysledek;
        vysledek = (float) realne * 100;
        LCD_Position(kanal , 9);
        LCD_PrDec(vysledek  /  100);
        LCD_WriteData('.');
        LCD_PrDec(vysledek % 100);
        LCD_WriteData('V');
        if (kanal) kanal = 0; else kanal = 1;
    }
}

Popis funkcí pro práci s LCD vynecháme, ten si můžeme přečíst na výše uvedením serveru. Pro nás je důležitá část pro práci s AD převodníkem. A to je právě tato:

unsigned int read_adc(unsigned char kanal)
{
    ADMUX = kanal;
    ADCSRA| = 0x40;
    while ((ADCSRA & 0x10)==0);
    ADCSRA |= 0x10;
    return ADCW;
}

Do registru ADMUX je uložena hodnota argumentu funkce určující kanál. Tím zvolíme pin, na kterém budeme napětí měřit. Vzhledem k tomu, že máme vybranou referenci AREF, nemusíme se obávat, že bychom si takovýmto zásahem obsah registru poškodili (stejně tak se zarovnáním výsledku).

Nastavením bitu ADSC v registru ADCSRA spustíme převod a čekáme do nastavení bitu ADIF – konec převodu.

V hlavním programu nás už jenom čeká převod z čísla typu int na reálnou podobu napětí, kterou zobrazíme na LCD.

        vysledek = read_adc(kanal);
        realne = (float) 5.03 / 1023;
        realne = (float) realne * vysledek;
        vysledek = (float) realne * 100;

Je mi jasné, že jsem dnes neuvedl všechny potřebné informace pro práci s AD převodníkem. Vzhledem k obsáhlosti tématu budou informace doplněny v příštím díle, kde si povíme i něco o diferenčních kanálech. Musím upozornit, že veškeré informace o převodníku, stejně jako o ostatních perifériích, můžete získat v katalogovém listu.

Snad jen ještě jedno upozornění na konec. Příklad je psán pro vývojovou desku PK-DESIGN s LCD modulem připojeným na portech C a D.