analogRead изнутри: АЦП, делитель и опорное

Что настроено до setup()

В init() (строки 353–382 wiring.c) ядро выбирает делитель частоты АЦП по F_CPU и включает АЦП:

// ArduinoCore-avr 1.8.8, cores/arduino/wiring.c (abridged)
#if F_CPU >= 16000000 // 16 MHz / 128 = 125 KHz
    sbi(ADCSRA, ADPS2);
    sbi(ADCSRA, ADPS1);
    sbi(ADCSRA, ADPS0);
#endif
    sbi(ADCSRA, ADEN);

ADPS2:0 = 111 — деление на 128 (табл. 24-5), то есть 125 кГц при 16 МГц. Даташит требует 50–200 кГц для полного разрешения в 10 бит (раздел 24.4), так что ядро выбирает ближайший безопасный делитель. На 8-мегагерцовых платах ядро ставит 64 — снова 125 кГц.

Что делает analogRead

// ArduinoCore-avr 1.8.8, cores/arduino/wiring_analog.c, lines 38-90 (ATmega328P branch)
int analogRead(uint8_t pin)
{
    if (pin >= 14) pin -= 14;                    // allow for channel or pin numbers
    ADMUX = (analog_reference << 6) | (pin & 0x07);
    sbi(ADCSRA, ADSC);                           // start the conversion
    while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));            // ADSC is cleared when it finishes
    return ADC;                                  // ADCL is read first
}

Четыре шага:

1. A0 в pins_arduino.h — это 14, поэтому analogRead(A0) и analogRead(0) читают один канал ADC0. A6 и A7 у Nano — каналы 6 и 7.
2. ADMUX записывается целиком при каждом вызове: два старших бита — опорное (REFS1:0), три младших — канал. Бит ADLAR — ноль (результат выровнен вправо), бит MUX3 — тоже всегда ноль.
3. Запуск преобразования битом ADSC.
4. Ожидание в цикле, пока ADSC не сбросится, и чтение 16-битного регистра ADC — компилятор читает ADCL раньше ADCH, как требует даташит.

Само преобразование — 13 тактов АЦП, 13 / 125 000 = 104 мкс, а первое после включения — 25 тактов, 200 мкс (раздел 24.4, расчёт наш). Но запуск битом ADSC срабатывает только по следующему фронту такта АЦП (раздел 24.4), а такт АЦП при 125 кГц длится 8 мкс, — поэтому вызов analogRead занимает от 104 до 112 мкс плюс время самой функции, и в секунду получается около 1 / 112 мкс ≈ 8 900 отсчётов (расчёт наш). Входное напряжение запоминается не в момент вызова, а через 1,5 такта АЦП после старта (табл. 24-1), то есть через 12 мкс (расчёт наш).

analogReference и вывод AREF

// ArduinoCore-avr 1.8.8, cores/arduino/wiring_analog.c, lines 28-36
uint8_t analog_reference = DEFAULT;

void analogReference(uint8_t mode)
{
    // can't actually set the register here because the default setting
    // will connect AVCC and the AREF pin, which would cause a short if
    // there's something connected to AREF.
    analog_reference = mode;
}

Для ATmega328P константы в Arduino.h подобраны прямо под биты REFS1:0 (табл. 24-3):

При AVCC и 1,1 В выбранное опорное выходит на вывод AREF (раздел 24.5.2). Если на AREF подано внешнее напряжение, выбирать другие опорные нельзя: по даташиту они замкнутся с внешним источником. Ядро поэтому не пишет ADMUX в analogReference(). Но analogRead() пишет его при каждом вызове, и если первый analogRead случится до analogReference(EXTERNAL), он подключит AVCC к AREF. Правило: при внешнем опорном analogReference(EXTERNAL) — первая строка setup(). Подробнее — в термине «AREF и AVCC» и в ответе о REF5025 на входе AREF.

Каналы, до которых analogRead не достаёт

Маска pin & 0x07 оставляет каналы 0–7, а бит MUX3 всегда нулевой. Внутренние входы мультиплексора (табл. 24-4) требуют MUX3 = 1:

Напряжение питания без делителя

Если измерить известное напряжение 1,1 В относительно AVCC, можно найти само AVCC. Из формулы ADC = VIN · 1024 / VREF (раздел 24.7) следует VREF = VBG · 1024 / ADC:

// Returns AVCC in millivolts, measured against the internal bandgap.
uint16_t readVccMillivolts(void)
{
  ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);  // AVCC ref, channel 1110 = VBG
  delay(1);                         // bandgap start-up: up to 70 us (table 29-11)
  for (uint8_t i = 0; i < 2; i++) { // the first result after the switch is discarded
    ADCSRA |= _BV(ADSC);
    while (ADCSRA & _BV(ADSC)) {}
  }
  uint16_t code = ADC;
  if (code == 0) return 0;               // no valid reading: avoid dividing by zero
  return (uint32_t)1100 * 1024 / code;   // VBG = 1.1 V typical
}

При 5 В код будет около 1,1 · 1024 / 5 ≈ 225 (расчёт наш). Точность ограничена самим источником: VBG от 1,0 до 1,2 В (табл. 29-11), то есть до ±9 %. Чтобы получить точный результат, один раз измерьте AVCC мультиметром и подставьте вместо 1100 своё значение VBG = AVCC · code / 1024. Следующий analogRead() снова запишет ADMUX полностью, так что смешивать эту функцию с обычным analogRead можно — но первый его результат после смены опорного тоже лучше отбросить (раздел 24.5.2).

АЦП без ожидания

analogRead 104–112 мкс крутится в цикле. Регистры позволяют запустить преобразование и узнать о его конце по прерыванию ADC_vect — бит ADIE в ADCSRA:

volatile uint16_t adcValue;
volatile bool adcReady;
bool discardNext = true;       // REFS changes below: the first result may be wrong

ISR(ADC_vect)
{
  adcValue = ADC;
  adcReady = true;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  ADMUX = _BV(REFS0);          // AVCC reference (ADMUX was 0, AREF), channel ADC0 (A0)
  ADCSRA |= _BV(ADIE);         // ADEN and the /128 prescaler are already set by init()
  ADCSRA |= _BV(ADSC);         // first conversion
}

void loop() {
  if (adcReady) {
    noInterrupts();            // a 16-bit value: read it with interrupts off
    uint16_t v = adcValue;
    adcReady = false;
    interrupts();
    if (discardNext) {
      discardNext = false;     // section 24.5.2: discard the first result after the switch
    } else {
      Serial.println(v);
    }
    ADCSRA |= _BV(ADSC);       // next conversion
  }
  // the loop is free while the ADC converts
}

Регистр ADCSRA лежит в расширенной области ввода-вывода, и ADCSRA |= … — это чтение, изменение и запись. Даташит предупреждает: если флаг ADIF уже установлен, такая запись вернёт в него единицу и сбросит ожидающее прерывание (раздел 24.9.2). Здесь это не мешает — к моменту следующего запуска обработчик уже сбросил флаг, — но помнить об этом нужно. Первый результат скетч выбрасывает: init() не пишет ADMUX, после сброса в нём 0 — опорное AREF, — и запись REFS0 меняет опорное, а первый результат после такой смены может быть неточным (раздел 24.5.2). Не вызывайте analogRead() в таком скетче: она сама ждёт ADSC и запишет ADMUX заново.

Напряжение на входах

Вход АЦП — обычный вывод порта C, и для него действует абсолютный максимум от −0,5 В до VCC + 0,5 В (раздел 29.1). Датчик с выходом 0–10 В или 12 В подключают только через делитель — его посчитает калькулятор делителя напряжения. При опорном 1,1 В всё, что выше 1,1 В, даёт коды около 1023 (раздел 24.5.2), но допустимым это напряжение остаётся только до VCC + 0,5 В.

Задание

1. Скетч выполнил analogReference(INTERNAL); и analogRead(A1);. Какое значение запишется в ADMUX?
2. В скетче делитель АЦП заменили на 16: ADCSRA = (ADCSRA & 0xF8) | _BV(ADPS2);. Какая частота АЦП и сколько длится преобразование? Что говорит даташит о точности при такой частоте?
3. readVccMillivolts() вернула 4 654, а мультиметр на выводе 5V показывает 4,90 В. Каков VBG этого кристалла?

Что дальше

В уроке 5 разберём millis(), micros() и delay(): прерывание Timer0 и дробную поправку, из-за которой millis() иногда прыгает на 2. Регистры ADMUX, ADCSRA и ADC с битами — на странице регистров АЦП ATmega328P. Код по числу и опорному напряжению и обратно считает калькулятор АЦП AVR, а из чего складывается погрешность — калькулятор бюджета погрешности АЦП и термин «Время преобразования».