You cannot select more than 25 topics Topics must start with a letter or number, can include dashes ('-') and can be up to 35 characters long.

15 KiB

Raw Permalink Blame History Unescape Escape

1. ADC

1.1. ADC基本原理

什么是ADC（Analog-to-Digital Converter）？模拟信号转换为数字信号通过测量模拟信号的电压，把电压值转换成数字进行后续的操作。

ADC的本质是通过测量电压值来获得被测信号的电压幅值，并保存成一个数值。通过这种机制，不仅可以测电压，还可以测电阻、电容、电感、压力、温度等，只要这些被测量通过一个传感器可以和电压之间产生某种函数关系。

对电压进行测量后保存到的有效数据的位数被叫做精度，例如8位精度可以有256个值，10位精度的有1024个值；该MCU的ADC精度是12位的，有4096个值；

另外，ADC中还有个重要的概念叫做参考电压，也就是测量电压的基准。在该芯片中，内部基准电压叫做 Vrefint，经查阅资料应该是2.048V，也就是说ADC最高能检测的电压是2048V。如果按照12位精度采样，那得到的分辨率是0.0005V。

问题：如果电压高于2.048V应该如何进行检测？

以上是ADC的内部框图，我们关注主要的是Vref、GPIO、ADC中断、DMA请求、ADCCLK。目前我们使用内部基准，通过GPIO采集电压，然后使用轮询模式读取电压值。其他方式还包括中断方式和DMA方式。

开发板内部有两个ADC的测试：

一个是温度热电偶，另外一个是电位器。具体使用我们在后面说明。

扩展阅读：

ADC原理

1.2. PCM

PCM是一种通过波形幅值测量和对信号进行数字化的一种方案：

PCM视频讲解

模拟信号通过间隔时间采样得到每个点的幅值，然后进行保存和处理。计算机中常见的wav格式就是PCM采样后的文件。衡量PCM的指标有两个：采样率和精度（ADC精度）。一般采样率越高越好，信号的失真越小，但是存储的空间越大。一般来说，采样率不能低于最高频率的两倍，因此以前常见的音频采样率是44k（声音最高20k），目前还有96k以上的高保真。

1.3. 实例NTC温度测试

任务描述：通过NTC测量环境温度，并通过串口打印出来。

NTC 又叫热敏电阻，温度的变化会改变其电阻值。通过这一特性，结合ADC就可以测量温度。

开发版的NTC是如下电路：

是接在PA4上面的一个电阻，通过10K的R6形成分压，等效电路如下：

当NTC的电阻值变化的时候，PA4这个分压点检测到的电压会随之变化。当对这个电压进行ADC转换后，可以反向计算NTC的电阻值，然后根据NTC的电阻和温度的关系可以计算出温度。

NTC是附件，与开发板这样连接：

1.3.1. 配置

在引脚配置中，选择PA4，然后选择ADC1_IN4；

设置ADC参数：

Continuous Conversion Mode设为Enable，使ADC转换持续进行，不需要每次获取之前手动触发转换；ADC_Regular_ConversionMode -> Rank -> Sampling Time设为239.5 Cycles，最长采样时间，可以获得更稳定的转换结果。

打开串口2

在菜单：project Properties -> C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> MCU Settings，勾选Use float with printf ...

这样printf就可以打印小数。

1.3.2. 代码编写

在 inc 目录新建一个头文件 NTC.h，因为后面还会使用到NTC的一些功能；

#ifndef INC_NTC_H_
#define INC_NTC_H_

#include "main.h"
#include "math.h"

extern float NTC_Temperature;

float ADC2Resistance(uint32_t adc_value);
float resistance2Temperature(float R1);

#endif /* INC_NTC_H_ */

在 src 目录新建 NTC.c 文件，这个文件是NTC转换成温度的一些函数。

/**
 * @brief 通过ADC值计算NTC电阻
 *
 * @param adc_value ADC原始值 [0, 4095]
 * @retval 返回NTC电阻值，浮点数类型，单位Ω
 */

#include "NTC.h"

float NTC_Temperature;

float ADC2Resistance(uint32_t adc_value) {
	return (adc_value / (4096.0f - adc_value)) * 10000.0f;
}
/**
 * @brief 通过NTC电阻反推温度
 *
 * @param R1 NTC电阻值
 * @retval 返回温度，float类型，单位摄氏度
 */
float resistance2Temperature(float R1) {
	float B = 3950.0f;
	float R2 = 10000.0f;
	float T2 = 25.0f;
	return (1.0 / ((1.0 / B) * log(R1 / R2) + (1.0 / (T2 + 273.15))) - 273.15);
}

以下是 main.c文件的内容：

在 USER CODE BEGIN Includes 代码段引入头文件

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include "NTC.h"
/* USER CODE END Includes */

在 USER CODE BEGIN 2 代码段加入如下内容：

	/* USER CODE BEGIN 2 */
	char send_buf[50] = { 0 };
	uint16_t adc_result = 0;
	float ntc_resistance = 0.0f;
	float temperature = 0.0f;
	HAL_ADC_Start(&hadc1);		// 开始连续ADC转换
	HAL_Delay(500);				// 等待ADC稳定

	/* USER CODE END 2 */

完善主函数的循环：

/* USER CODE BEGIN WHILE */
	while (1) {

		adc_result = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
		ntc_resistance = ADC2Resistance(adc_result); // 获取ADC值
		temperature = resistance2Temperature(ntc_resistance); // 获取ADC值
		sprintf(send_buf, "阻值%.1f Ω，温度: %.2f ℃\r\n", ntc_resistance,
				temperature); // 将变量打印为字符串
		HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) send_buf, strlen(send_buf), 10); // 通过串口2发送
		HAL_Delay(1000);
		/* USER CODE END WHILE */

		/* USER CODE BEGIN 3 */
	}
	/* USER CODE END 3 */

1.3.3. 代码分析

2. I2C

I2C 温湿度传感器

2.1. 设置

先新建一个工程，取名为 humidity；
设置调试模式为 Serial Wire；
打开串口2；
查看开发板19号外设，使用PB6/PB7；

在引脚设置中点击PB6，看到使用的是I2C1；

在Connectivity中找到I2C1，设置I2C模式为 I2C；

在Project Manager中设置为每个外设使用独立的 c/.h 文件：

按照上个例子设置printf使用浮点；

2.2. 编码

inc目录建立一个新文件aht20.h

#ifndef __DHT20_H__
#define __DHT20_H__

#include "i2c.h"

// 初始化AHT20
void AHT20_Init(void);

// 获取温度和湿度
void AHT20_Read();

#endif

src 目录建立一个新文件 aht20.c

#include <aht20.h>

#define AHT20_ADDRESS 0x70

/**
 * 查看状态字是否校准
 */
void AHT20_Init(void) {
	uint8_t read_buf = 0;
	// 等待DHT20上电稳定
	HAL_Delay(40);
	HAL_I2C_Master_Receive(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, &read_buf, 1, 10);
	if ((read_buf & 0x08) != 0x08) {
		// 状态字没有校准，发送出初始化命令
		uint8_t send_buf[3] = { 0xBE, 0x08, 0x00 };
		HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, send_buf, 3);
		HAL_Delay(100);
	}
}

/**
 *
 */
void AHT20_Read(float *temp, float *hum) {
	uint8_t sendBuffer[3] = { 0xAC, 0x33, 0x00 };
	uint8_t readBuffer[6];
	HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1, AHT20_ADDRESS, sendBuffer, 3, HAL_MAX_DELAY);
	HAL_Delay(75);
	HAL_I2C_Master_Receive(& hi2c1, AHT20_ADDRESS, readBuffer, 6, HAL_MAX_DELAY);
	if ((readBuffer[0] & 0x80) == 0x00) {
		uint32_t data = 0;
		data = ((uint32_t) readBuffer[3] >> 4) + ((uint32_t) readBuffer[2] << 4) + ((uint32_t) readBuffer[1] << 12);
		*hum = data * 100.0f / (1 << 20);

		data = (((uint32_t) readBuffer[3] & 0x0F) << 16) + (((uint32_t) readBuffer[4]) << 8) + (uint32_t) readBuffer[5];
		*temp = data * 200.0f / (1 << 20) - 50;
	}
}

main.c 文件的 USER CODE BEGIN Includes 区域添加头文件：

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "aht20.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

main函数的 USER CODE BEGIN 2 区域添加内容

	/* USER CODE BEGIN 2 */
	AHT20_Init();
	float temp, hum;
	char message[50];
	/* USER CODE END 2 */

完善 main 函数的 while 循环：

	while (1) {
		AHT20_Read(&temp, &hum);
		sprintf(message, "温度：%.1f 湿度：%.1f \n", temp, hum);
		HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*) message, strlen(message), 100);
		HAL_Delay(2000);
		/* USER CODE END WHILE */

		/* USER CODE BEGIN 3 */
	}

2.3. 代码分析

2.3.1. I2C的地址

在启动传输后,随后传输的I2C首字节包括7位的I2C设备地址 0x38和一个SDA方向位 x(读R:‘1’，写W:‘0’)。

因此，如果是读：实际地址是 0x71；如果是写，实际地址是0x70；注意代码中关于I2C的读写命令；

HAL_I2C_Master_Transmit和HAL_I2C_Master_Receive 的地址都使用0x70，HAL_I2C_Master_Transmit会自动设置最后一位是0（仍然是0x70）；HAL_I2C_Master_Receive会自动设置最后一位是1（就是0x71）

2.3.2. 温湿度数据的重组

按照AHT20的说明（p8），返回六个字节的顺序：

2.4. I2C的中断和DMA

中断模式和DMA

3. OLED显示

视频演示

开发板上的OLED显示器是单色的显示，分辨率为 128 * 64。

相当于有128 * 64个小灯，只需要点亮相应的小灯就可以组成图案。如果使用IO进行操作，需要 128 * 64 个IO口（8192个），显然是不合适的。如何解决？

其实显示器的矩阵可以看作是一段连续的内存，每一个灯就是一个bit（单色模式，如果是彩色显示器，每个灯可能是一个byte或者是多个byte）。和内存一样，显示器内部也有一个存储区域（寄存器），和点阵是对应的，我们只需要对显示器的控制芯片寄存器的相应位置写入相应的数据，显示器对应点就会点亮或者熄灭。这种方式就如同写寄存器一样。

因此，显示驱动芯片其实有很多IO与显示器进行连接，然后驱动芯片与外部有个通信接口（这里是I2C）；通过接口，MCU告诉显示器需要如何显示就好了。这样避免了MCU使用很多IO直接控制显示器。另外这里的通信是I2C，但是还有其他的方式，例如串口、SPI、VGA、HDMI等。

3.1. 显示原理

开发板使用SSD1306作为驱动，显示器资料，CH1116芯片资料

分成了8个Page（大行）,每个Page中有8个小行，一共就是64行，刚好是纵向的分辨率；然后，每行有128个寄存器，表示列，这样就得到128*64的一组寄存器。这个和内存中的分页技术是一致的。

3.1.1. 通信方式

通信分为两种，指令和数据，指令包含两个字节，数据没有限制。指令表示要从哪个位置开始写数据；数据代表写入什么数据。指令包含页的设置和列的设置两个部分。

每个指令都包含两个字节，第一个字节0x00；第二个字节表示页/列的设置。指令选择页和选择列，但后续只有一个字节了，这个后续的一个字节需要携带页还是列？具体是哪个页和列；因此第二字节可以拆分成为高4位和低4位进行表示，其中高4位表示是什么（页、列），低4位表示具体的参数（哪个页、哪个列）。

3.1.1.1. 指令

页地址：B0~B7；其实这里的B就代表设置页，地4位的0～7表示哪个页，一共只有8页；
列地址，把列分为两个字节发送，分为高4位和低四位。低位先发，高位后发（有点像小端模式）；高4为分别为0和1，表示表示列的低4位和高4位；因为一共128列，因此设置列需要发送两次指令；

例如选择页，使用Bx的方式，高4位B表示设置页的命令，低四位X可以是0～7表示具体是哪一页。这样一个完整的设置页的命令就是0x00,0xb0：选择第0页；0x00,0xb1：选择第1页；因为一共只有8页，4位的取值范围是0～15，完全覆盖8页的取值范围，这样是没有问题的。但是如果选择列，列的取值是0～127，这样使用一条命令是不够的。

在设置列的时候，参数字节的高4位是0表示设置列的低四位；参数字节的高四位是1表示设置列的高四位；00-00：设置低四位00-10：设置高四位这样列就是00列。注意：驱动的第0页其实是从02开始的，因此需要发送（0x0002,0x0010）来选择第0列。

3.1.1.2. 数据

数据是 0x40 后携带N个字节，表示从指令设置的页和列开始连续的设置相应的列。

3.2. 显示驱动

在内存中建立一个数组（存储空间）与显存的空间进行对应。当要画图的时候，先在内存中写数据，然后把内存中的数据全部写入到显示器（显存）。这样做有很多好处方便，操作内存比操作显存更方便。但是这样做也有缺陷：

问题：什么缺陷？

OLED_NewFrame 函数用于把内存中一个虚拟屏幕清空，这样很快。OLED_ShowFram用于将内存中的一个虚拟屏幕的内容发送到显示器的显存当中，这样就可以显示了。

视频演示有个地方错了，关于画点的函数（仔细看看）。

3.2.1. 如何显示文字和图片

显示器和图片都是以点来存放图片或者文字的。如果把上面的文字转换成点阵就可以在点阵的显示器上显示了。如何做到？

任何文字或者图片都可以使用点阵进行描述：

3.2.2. 如何快速的进行显示

抽象基本的功能：画点，划线、画圆。。。
字库：通过ASCII码（其实是一个整数）对应到一个数组（点阵），然后使用画点的方式画出文字。英文处理相对简单，中文处理需要更大的存储空间。

取模工具

15 KiB Raw Permalink Blame History Unescape Escape