实验六 ADC和UART

CM4实验报告

实验目的

• 学习ADC模块原理和串口通信的原理
• 学习使用ADC模块转化外设传感器数据变为可调用的数字信息
• 将信息用UART输出

实验原理

ADC

结构特点

• 模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)将连续的模拟电压信号转换为离散的数字量的外设。TM4C1294微控制器内置两个相同的12位精度ADC模块(ADC0和ADC1)，共用相同的20个模拟输入通道和一个内部温度传感器。
• 每个ADC模块包含四个可编程序列发生器，无需控制器干预可自动完成对多个模拟器输入源的采样，每个采样序列发生器各自带有相应长度的FIFO，并都可以灵活配置其输入源、触发事件、中断产生、序列发生器的优先级等内容。
• 每个ADC模块提供8个数字比较器，每个数字比较器可以将AC转换结果数值与2个用户定义的门限值比较，确定信号的工作范围。
• ADC0和ADC1工作相互独立，模块内部自带移相器，可以设定采样的滞后相角。
• ADC可以用以下机制触发：
  
  • 控制器（软件）触发
  • 定时器触发
  • 模拟比较器触发
  • PWM
  • GPIO
• 可配置为单端输入或差分输入。
• 模拟部分的电源地与数字电源地相互独立。

初始化与配置

• ADC模块使用之前要进行初始化与配置，包括ADC模块的初始化和采样序列发生器的配置两个部分。
  
  • ADC模块，需要启用ADC时钟，禁用待用模拟输入脚的模拟隔离电路，可重新配置采样序列发生器优先级。(具体代码见6.3)

功能描述

• 采样序列发生器(Sample Sequencer,SS)
  每个采样序列都是由一组编程的连续采样组成，因此ADC模块可以自动从多个输入源采集数据，可配置的参数包括选择输入源和输入模式（单端输入或差分输入）、采样结束时是否产生中断，是否是队列中最后一个采样动作的标识符等。

SS处理采样控制和数据采集，所有序列发生器的实现方式相同，但采样数和FIFO深度不同。每个FIFO单元均为一个32位的字，低12位包含的是转换结果。

• 模数转换器
  模数转换器采用逐次逼近寄存器（SAR）架构实现低功耗，高精度的十二位A/D转换。ADC模块同时从3.3V模拟电源和1.2V数字电源取电。

//配置PE3口为ADC单端采样模式，使用采样序列3采样内置温度感应器，处理器信号触发方式。
void main(){
    int pui32ADC0Value;
    //初始化系统时钟
    g_ui32SysClock=SysCtlClockFreqSet((SYSCTL_XTAL_25MHZ|SYSCTL_OSC_MAIN|SYSCTL_USE_PLL|SYSCTL_CFG_VCO_480),120000000);
    //开启ADC0时钟
    SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC0);
    //使能温度传感器PE3
    SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOE);
    //将PE3口配置成AD输入模式
    GPIOPinTypeADC(GPIO_PORTE_BASE,GPIO_PIN_3);
    //使用采样序列3来采样，ADC_TRIGGER_PROCESSOR为设定触发方式为控制器触发，由ADCProcessorTrigger(）配合使用。
    ADCSequenceConfigure(ADC0_BASE,3,ADC_TRIGGER_PROCESSOR,0);
    //配置采样序列3的步骤0，配置模拟通道0(ADC_CTL_CH0)、采样结束产生中断(ADC_CTL_IE),转化结束后告诉ADC逻辑转化结束
    ADCSequenceStepConfigure(ADC0_BSE,3,0,ADC_CTL_CH0|ADC_CTL_IE|ADC_CTL_END);
    //使能采样序列3
    ADCSequenceEnable(ADC0_BASE,3);
    //开始采样前先清除采样序列3产生的中断
    ADCIntClear(ADC0_BASE,3);
    while(1){
        //触发ADC0SS3。
        ADCProcessorTrigger(ADC0_BASE,3);
        //等待转换结束
        while(!ADCIntStatus(ADC0_BASE,3,false)){}
        //清除中断标志
        ADCIntClear(ADC0_BASE,3);
        //读取ADC0采样序列SS3的转化值，将结果存在pui32ADC0Value
        ADCSequenceDataGet(ADC0_BASE,3,pui32ADC0Value);
        //延时
        SysCtlDelay(g_ui32Sysclock/12);
    }
}

• APIfuntion&Pinmap

#include "inc/hw_types.h"
#include "inc/hw_memmap.h"
#include "driverlib/sysctl.h"
#include "driverlib/pin_map.h"
#include "driverlib/gpio.h"
#include "inc/hw_gpio.h"
#include "driverlib/adc.h"

UART

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)， 异步串行通信接口，它可以实现数据的并串行转换,相对于同步模式，异步模式不需要一个专门的时钟信号来控制数据的收发，因此发送数据时位与位之间的间隙可以任意改变,但是并不是说不需要时钟信号，而是通过系统时钟或全局备用时钟产生一个可编程的波特时钟来控制发送数据。

• 接收处理器内部的并行数据，通过串行发送总线UnTX以异步通信的方式发送出去
• 输入接收总线UnRX上的串行数据，转换为并行数据后返回给处理器处理
• 数据接收或处理完后，经过T/R缓冲区FIFO，

发送/接收

标准的异步通信包括起始位，停止位，奇偶校验位。控制逻辑输出串行位流时，最先输出起始位，然后输出若干数据位（最低有效位在前），奇偶校验位和停止位。

接收逻辑单元在检测到有效的起始脉冲后，对接收到的串行位码流进行串-并转换，在接收过程中还要进行溢出错误检测、奇偶校验、帧错误检测、线终止检测、并将这些状态随数据一同写入接收FIFO中。

波特率的产生

波特率分频系数是由16位整数部分和6位小数部分组成的22位二进制数，由此决定位时间，其中整数由UART波特率分频值整数(UARTIBRD)寄存器加载，小数通过UART波特率分频值小数(UARTFBRD)寄存器加载。波特率分频值(BRD)和系统时钟之间关系如下：

BRD=BRDI+BRDF=UARTSysClk/(ClkDiv*波特率)

式中UARTSysClk是连接到UART的系统时钟，ClkDiv是一个常数，取值为16或8(对应UARTCTL寄存器里第五位HSE=0/1，因此UART模块产生的内部波特率参考时钟频率总为波特率的8或16倍,分别称为)。默认情况下该系统时钟为‘时钟控制’中描述的主系统时钟，6位小数部分(寄存器[UARTFBRD]里[DIVFRAC]位域的值)计算方法如下：

UARTFBRD[DIVFRAC]=integer（BRDF*64+0.5）

即将波特率除数的小数部分乘64,加0.5以抵消舍入误差。需注意的是，梗概波特率除数之后，必须写一次(高字节)UARTLCRH寄存器，更改内容才会生效。

初始化和配置

uart有8个模块，其中uart0是我们要用到的，它有调制解调器的功能（调制解调器流控制和调制解调器状态）//UART0使用PA0，PA1两个引脚，因此要使能GPIOA模块。

//UART0使用PA0，PA1两个引脚，首先使能GPIOA模块
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOA);
//GPIO管脚复用，所以要对PA0，PA1两个引脚功能进行选择，这里将他们选择为执行UART0模块功能
GPIOPinConfigure(GPIO_PA0_U0RX);//PA0用于接收数据
GPIOPinConfigure(GPIO_PA1_U0TX);//PA1用于发送数据
//将PA0，PA1作为UART功能使用前进行配置
GPIOPinTypeUART(GPIO_PORTA_BASE,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1);
UARTStdioConfig(0,115200,g_ui32SysClock);

• APIfunction & Pinmap

//sysctl.h
//使能外设模块基址
void SysCtlPeripheralEnable(uint32_t ui32Peripheral);
//函数的定义和ui8Pins在gpio.h
//ui32PinConfig在pin_map.h，ui32Port在hw_mammap.h
//GPIOPinConfigure()一般和GPIOPinType...()一起使用来配置引脚。
void GPIOPinConfigure(uint32_t ui32PinConfig);
void GPIOPinTypeUART(uint32_t ui32Port, uint8_t ui8Pins);

实现功能

• 用ADC模块采集滑动变阻器滚轮阻值

实验代码

ADC和滚轮的初始化

/*******************************************************************
  * 函数：  ADC_Init()
  * 描述：  初始化ADC0序列3和滚轮
  * 输入值：无
  * 返回值：无
  *****************************************************************/
void ADC_Init()
{
    // 初始化ADC0/PD7 AIN4  共20通道最大AIN19 分辨率为12bit 最大值4096
    SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADC0);  //可选两个模块 ADC0和ADC1
    SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOD);
    GPIOPinTypeADC(GPIO_PORTD_BASE, GPIO_PIN_7);
    ADCSequenceConfigure(ADC0_BASE, 3, ADC_TRIGGER_PROCESSOR, 0);
    ADCSequenceStepConfigure(ADC0_BASE, 3, 0, ADC_CTL_CH4 | ADC_CTL_END | ADC_CTL_IE);
    ADCSequenceEnable(ADC0_BASE, 3);
    ADC0_HandlerFlag = false;  //中断未发生
}

数据采集并用串口输出

/*******************************************************************
  * 函数：  ADC_work()
  * 描述：  数据采集，转化并用串口输出
  * 输入值：无
  * 返回值：无
  *****************************************************************/
  void ADC_work()
{
    uint32_t ADC0_SS3v;
    uint32_t ADC0_result;
    ADCProcessorTrigger(ADC0_BASE, 3);
    while(!ADCIntStatus(ADC0_BASE, 3, false)) ;
    ADCSequenceDataGet(ADC0_BASE, 3, &ADC0_SS3v);
    ADC0_result=(ADC0_SS3v * 3.3 *1000)/4096;
    UARTprintf("V：%04d   \n ", ADC0_result);
}

实验结论

• 这个书上有原例子，主要要注意ADC模块里采集序列的概念。