I²C总线、UART总线和A/D转换器应用设计

本文导读

在传统的基于寄存器的开发模式中，使用一个外设往往要阅读英文手册，理解寄存器每一位的含义，一步一步操作、调试，十分麻烦。AWorks提供的外设通用接口不仅可以跨平台复用，而且非常简洁，一个外设往往只有2~3个接口。本文将介绍通用的I²C、UART和ADC接口。本文为《面向AWorks框架和接口的编程（上）》第三部分软件篇——第7章通用外设接口——第4~6小节：I²C总线、UART总线和A/D转换器。

7.4 I²C总线

7.4.1 I²C总线简介

I²C器件的两线制总线，不仅硬件电路非常简洁，而且还具有极强的复用性和可移植性。I²C总线不仅适用于电路板内器件之间的通信，而且通过中继器还可以实现电路板与电路板之间长距离的信号传输，因此使用I²C器件非常容易构建系统级电子产品开发平台。其特点如下：

• 总线仅需2根信号线，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互连成本；

• 同一条I²C总线上可以挂接多个器件，器件之间按不同的编址区分，因此不需要任何附加的I/O或地址译码器；

• 非常容易实现I²C总线的自检功能，以便及时发现总线的异常情况；

• 总线电气兼容性好，I²C总线规定器件之间以开漏I/O互连，因此只要选取适当的上拉电阻就能轻易实现3V/5V逻辑电平的兼容；

• 支持多种通信方式，一主多从是最常见的通信方式。此外还支持双主机通信、多主机通信与广播模式；

• 通信速率高，其标准传输速率为100Kbps（每秒100K位），在快速模式下为400Kbps，按照后来修订的版本，位速率可高达3.4Mbps。

7.4.2 I²C接口

绝大部分情况下，MCU都作为I²C主机与I²C从机器件通信，因此这里仅介绍AWorks中将MCU作为I²C主机的相关接口，接口原型详见表7.14。

表7.14 I²C标准接口函数

1. 定义I²C从机器件实例

对于用户来讲，使用I²C总线的目的往往是用于操作一个从机器件，比如，LM75、E²PROM等。MCU作为I²C主机与从机器件通信，需要知道从机器件的相关信息，比如，I²C从机地址等。在AWorks中，定义了统一的从机器件类型：aw_i2c_device_t，用于包含从机器件相关的信息，以便主机正确的与之通信。该类型的具体定义用户无需关心，在使用I²C操作一个从机器件前，必须先使用该类型定义一个与从机器件对应的器件实例，例如：

其中，dev为用户自定义的从机实例，其地址可以作为接口函数中p_dev的实参传递。

2. 初始化从机器件实例

当完成从机器件实例的定义后，还需要完成其初始化，指定从机器件相关的信息，初始化函数的原型为：

其中，p_dev为指向I²C从机实例的指针，busid为I²C总线编号，addr为从机器件地址，flags为从机器件相关的一些标志。

在AWorks中，一个系统往往具有多条I²C总线，各总线之间通过busid区分，一个系统实际支持的I²C总线条数与具体硬件平台相关。例如，在i.MX28x系统中，最高可以支持2条I²C总线，对应的总线编号即为：0 ~ 1。busid参数即用于指定使用那条I²C总线与从机器件进行通信。

addr为从机器件的I²C地址，由于读/写方向位由系统自动控制，因此，地址中不需要包含读写方向位。地址可以为7位地址和10位地址。

flags为从机器件相关的属性标志，可分为3大类：从机地址的位数、是否忽略无应答和器件内子地址（通常又称之为“寄存器地址”）的字节数。具体可用属性标志详见表7.15，可使用“|”操作连接多个属性标志。

表7.15 从机设备属性

例如，要使用I²C0（I²C总线的busid为0）操作温度传感器芯片LM75B，则应该首先定义并初始化一个与LM75B对应的从机器件。这就还需要知道两点重要的信息：器件从机地址和实例属性。

要获取这些信息，就必须查看芯片相关的数据手册，对于LM75B，其引脚分布图详见图7.12。LM75B的器件地址为7位地址：1001A₂、A₁、A₀，其中，A₂、A_1、A0分别为引脚A₂、A₁、A₀的状态。在扩展板中，LM75B等效的应用电路详见图7.11。

其中，R9和R10是I²C总线的上拉电阻，同时，只要短接（J13_1、J13_2）与（J11_1、J11_2），LM75的SCL和SDA引脚分别与I²C0总线的SCL和SDA相连。

图7.11 LM75B应用电路

图7.12 LM75B管脚图

由图7.11可知，A₂、A₁、A₀均与地连接，因此，LM75的地址中相应位的值均为0，由此可得LM75B的7位地址为：1001000，即0x48。

从机属性分为从机地址属性、应答属性和器件内子地址属性。LM75B的从机地址为7位，其对应的属性标志为AW_I²C_ADDR_7BIT。

如果从机实例不能应答，则设置AW_I²C_IGNORE_NAK标志，一般来说，标准的I²C从机器件均可产生应答信号，除非特殊说明，否则都不需要使用该标志。LM75B内部共计有4个寄存器，它们的定义详见表7.16。

表7.16 LM75B内部寄存器列表

由表中地址栏内容可知，所有寄存器的地址均为8位，因此，器件内子地址为一个字节，对应的属性标志为：AW_I²C_SUBADDR_1BYTE。因为器件子地址只有一个字节，所以没有高字节与低字节之分，也就无需使用

AW_I²C_SUBADDR_MSB_FIRST

或AW_I²C_SUBADDR_LSB_FIRST标志。

通过以上分析，得到了LM75B相关的从机信息，为此，可以定义并初始化一个与LM75B对应的从机器件实例，范例程序详见程序清单7.26。

程序清单7.26 从机器件实例初始化函数范例程序

3. 读操作

从I²C从机器件指定的子地址中读出数据的函数原型为：

其中，p_dev为指向I²C从机实例的指针，subaddr为器件子地址，以指定读取数据的位置，p_buf指向存放读取数据的缓冲区，nbytes指定读取数据的字节数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示读取成功，否则，表示读取失败。

由表7.16可知，在LM75B中，地址0存放了2字节的温度值，如需读取温度，则可以直接从地址0中读取2字节数据，范例程序详见程序清单7.27。

程序清单7.27 读取数据范例程序

读取的两字节数据表示的温度值是多少呢？这两个字节具体表示的温度值含义可从芯片的数据手册获取。温度使用16位二进制补码表示，最高位为符号位，最高位为1时，表示温度为负数。读取温度时，读取的首个字节是高8位数据，紧接着的字节是低8位数据。各个位表示的温度权重详见表7.17。

表7.17 温度值数据各个位的含义

表中，2的n次方表示温度的权重。实际中，LM75B的温度分辨率有限，只能达到小数点后3位，低5位的值通常为0，是无效的，因此，LM75B实际温度的分辨率为2^-3，即0.125℃。

据此，可以将字节0和字节1合并为一个有符号的16位整数，例如：

由于低5位无效，因此，式中将字节1与0xE0（1110 0000）作了 “与”运算，将低5位可靠的清0。同时，式中将整数部分左移了8位，小数部分也使用整数表示，相当于把原温度值扩大了256（28）倍。因此，temp的值为实际温度值的256倍，由此得到了LM75B采集到的温度值。

基于此，可以编写一个温度采集的范例程序，详见程序清单7.28。

程序清单7.28 温度采集范例程序

程序中，每秒采集一次温度值，并使用aw_kprintf()打印输出。打印输出当前的温度值时，由于aw_kprintf()暂时不支持直接打印浮点数，例如：

因此，分别打印了整数部分和小数部分，整数部分可以将temp整除256得到。计算小数部分时，先将temp扩大了1000倍，再除以256，得到的值即为实际温度的1000倍，最后对1000取余，即可得到实际温度小数点后3位的值。例如，实际温度为11.375度，则temp的值为11.375的256倍，即2912，整数部分即为该值整除256：

小数部分的值计算过程如下：

最终打印输出的结果即为：

这样的计算过程虽然看起来复杂了一些，但是其却从根本上避免了浮点运算，保证了程序运行的效率。在没有硬件浮点运算单元的MCU中，浮点运算是通过软件模拟的，效率非常低下。在AWorks中，如非必要，都应该尽可能避免浮点运算。即使是在有浮点运算单元的MCU中，也应该在一些基础的运算中避免使用浮点运算，因为在少量简单的浮点运算中，使用硬件浮点运算单元计算时，效率并不能得到明显的提升，反而增加了系统的负担，例如，当外部中断产生时，需要保护现场，如果使用了硬件浮点运算单元，则保护现场的数据量将大大增加。一般来讲，只有在需要大量浮点运算的场合（比如，在一些算法计算中，很难使用整数运算来避免浮点运算），才使用浮点运算。

需要特别说明的是，这里通过I²C总线直接读取了LM75B温度传感器中的温度值，仅用于介绍I²C总线接口的使用方法。实际中，AWorks已经定义了通用的温度接口，在应用中读取温度时，均建议直接使用通用的温度接口。

4. 写操作

向I²C从机实例指定的子地址中写入数据的函数原型为：

其中，p_dev为指向I²C从机实例的指针，subaddr为器件子地址，以指定写入数据的位置，p_buf指向存放待写入数据的缓冲区，nbytes指定写入数据的字节数。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示写入成功，否则，表示写入失败。

由表7.16可知，在LM75B中，地址2和地址3中各存放了2字节的温度值，分别表示温度上限值（T_hyst）和下限值（T_OS），T_hyst必须小于T_OS，两个温度值均是可读可写的，默认情况下，T_hyst的值为75℃，T_OS的值为80℃。它们存储温度值的格式和地址0中温度值的格式类似，唯一不同的是，其表示温度的分辨率只有0.5度，因此，小数部分只有一位有效，低7位全为0。例如，同样将2字节数据看作一个有符号的16位整数temp，则temp的值为温度值的256倍。由此可得，若要表示80.5度，则对应的16位数据的值为：80.5 * 256 = 20608，即0x5080。

LM75B每次采集到新的温度时，都将与这两个温度值作比较，比较的结果将决定OS引脚的输出，以作为一种温度报警的机制。具体比较的方法与LM75B所处的模式相关，LM75B可以工作在比较模式或中断模式（可通过配置寄存器配置）：若LM75B工作在比较模式，则当采样温度大于T_OS时，OS引脚输出激活电平（激活电平可以通过配置寄存器配置为高电平或低电平），当采样温度降低到T_HYST以下时，OS引脚恢复到正常电平；若LM75B工作在中断模式，首先，采样温度与T_OS比较，当采样温度大于T_OS时，OS引脚输出激活电平，直到主机读取一次LM75B后，OS引脚将自动恢复为正常电平。接着，采样温度将切换为与T_HYST比较，当采样温度低于T_HYST时，OS引脚输出激活电平，直到主机读取一次LM75B后，OS引脚将自动恢复为正常电平。接着，又将采样温度切换为与T_OS比较，当采样温度大于T_OS时，OS引脚输出激活电平，以此类推。示意图详见图7.13。

图7.13 LM75B的OS引脚输出示意图

注：图中以激活电平为低电平，正常电平为高电平为例。在中断模式下，OS引脚可以被两种操作复位为正常电平：被主机读取一次数据；主机通过写配置寄存器，使LM75B进入关机模式。更多详细的内容可以查阅LM75B的数据手册，这里仅为简单介绍使用AWorks的I²C接口操作I²C从机器件的方法。

例如，要修改T_OS的值为80.5℃，则需要修改T_OS寄存器的值为0x5080，写入时，高字节先写入，低字节后写入，即先写入0x50，后写入0x80。范例程序详见程序清单7.29。

程序清单7.29 写入数据范例程序

由于T_OS寄存器是可读可写的，为了验证是否写入成功，可以通过I²C读取接口，再读取出T_OS寄存器的值，如果读出的值与写入的值相同，则表明写入成功。范例程序详见程序清单7.30。

程序清单7.30 验证写入数据是否成功的范例程序

7.5 UART总线

7.5.1 UART简介

UART

(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一种通用异步收发传输器，其使用串行的方式在双机之间进行数据交换，实现全双工通信。数据引脚仅包含用于接收数据的RXD和用于发送数据的TXD。

UART是一种串行通信协议，数据在数据线上按位一位一位的发送，UART协议主要有以下几个概念需要了解：

• 波特率

波特率是衡量数据传输速率的指标，表示每秒传送数据的位数，值越大，数据通信的速率越高，数据传输得越快。常见的波特率有4800、9600、14400、19200、38400、115200等等，如果波特率为115200，则表示每秒钟可以传输115200位（注意：是bit，不是byte）数据。

• 空闲位

数据线上没有数据传输时，数据线处于空闲状态。空闲状态的电平逻辑为“1”。

• 起始位

起始位表示一帧数据传输的开始，起始位的电平逻辑是“0”。

• 数据位

紧接起始位后，即为实际通信传输的数据，数据的位数可以是5、6、7、8等，数据传输时，从最低位开始依次传输。

• 奇偶校验位

奇偶校验位用于接收方对数据进行校验，及时发现由于通信故障等问题造成的错误数据。奇偶校验位是可选的，可以不使用奇偶校验位。奇偶校验有奇校验和偶校验两种形式，该位的逻辑电平与校验方法和所有数据位中逻辑“1”的个数相关。

奇校验：通过设置该位的值（“1”或“0”），使该位和数据位中逻辑“1”的总个数为奇数。例如，数据位为8位，值为：10011001，1的个数为4个（偶数），则奇校验时，为了使1的个数为奇数，就要设置奇偶校验位的值为1，使1的总个数为5个（奇数）。

偶校验：通过设置该位的值（“1”或“0”），使该位和数据位中逻辑“1”的总个数为偶数。例如，数据位为8位，值为：10011001，1的个数为4个（偶数），则偶校验时，为了使1的个数为偶数，就要设置奇偶校验位的值为0，使1的个数保持不变，为4（偶数）。

通信双方使用的校验方法应该一致，接收方通过判断“1”的个数是否为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）来判定数据在通信过程中是否出错。

• 停止位

停止位表示一帧数据的结束，其电平逻辑为“1”，其宽度可以是1位、1.5位、2位。即其持续的时间为位数乘以传输一位的时间（由波特率决定），例如，波特率为115200，则传输一位的时间为1/115200秒，约为8.68us。若停止位的宽度为1.5位，则表示停止位持续的时间为：1.5 × 8.68us ≈ 13us。

常见的帧格式为：1位起始位，8位数据位，无校验，1位停止位。由于起始位的宽度恒为1位，不会变化，而数据位，校验位和停止位都是可变的，因此，往往在描述串口通信协议时，都只是描述其波特率、数据位，校验位和停止位，不再单独说明起始位。

注意，通信双方必须使用完全相同的协议，包括波特率、起始位、数据位、停止位等。如果协议不一致，则通信数据会错乱，不能正常通信。在通信中，若出现乱码的情况，应该首先检查通信双方所使用的协议是否一致。

7.5.2 串行接口

在AWorks中，定义了通用的串行接口，可以使用串行接口操作UART，实现数据的收发。接口原型详见表7.18。

表7.18 串行接口（aw_serial.h）

1. UART控制

在使用UART进行数据传输前，需要正确配置串行通信协议，比如：波特率、数据位、停止位、校验位等。其函数原型为：

其中，com为串口设备的ID，request表示本次请求控制的命令，p_arg为与request对应的参数，其具体类型与request的值相关。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示本次控制成功，否则，表示控制失败。

在AWorks中，一个系统往往可以有多路串口输出，例如，在i.MX28x中，有1路调试串口，5路应用串口，为了区分各个串口，为各个串口设备分配了唯一的编号，如在i.MX28x中，各个串口设备分配的编号详见表7.19。

表7.19 各串口设备对应的编号

COM0 ~ COM5是在aw_serial.h文件中定义的宏，即：

request表示本次请求控制的命令，p_arg为与之对应的参数。常见命令与对应p_arg参数的实际类型详见表7.20。

表7.20 UART常用控制命令

• 设置波特率

设置波特率使用SIO_BAUD_SET命令，该命令（包括后文以SIO_口味前缀的各个命令宏定义）在aw_sio_common.h文件中定义，aw_serial.h文件已经自动包含该文件，用于无需再额外包含。设置波特率为115200的范例程序详见程序清单7.31。

程序清单7.31 设置波特率范例程序

• 获取波特率

获取波特率使用SIO_BAUD_GET命令，获取波特率的范例程序详见程序清单7.32。

程序清单7.32 获取波特率范例程序

• 设置硬件参数

设置硬件参数包括通信协议相关的参数，比如：数据位、校验位、停止位等。设置硬件参数对应的命令为SIO_HW_OPTS_SET，其对应的p_arg为32位整数，是由多个参数宏通过或（“|”）运算符连接组成。相关的参数宏详见表7.21。

表7.21 UART硬件参数（aw_sio_common.h）

例如，几种常见的配置范例详见程序清单7.33。

程序清单7.33 设置硬件参数的范例程序

• 获取硬件参数

获取当前硬件参数的命令为SIO_HW_OPTS_GET。例如，通过获取硬件参数，判断当前使用何种校验方式的范例程序详见程序清单7.34。

程序清单7.34 获取硬件参数的范例程序

此外，在发送或接收数据时，还会使用到几个命令，这些命令在讲解发送数据和接收数据时再详细介绍。

2. 发送数据

在AWorks中，为每个串口设备都分配了一个发送数据缓冲区（默认大小为128字节），用于缓存用户发送的数据。当用户发送数据时，首先会将数据加载到缓冲区中，加载到缓冲区后，串口设备将按照设定的波特率自动发送缓冲区中的数据。用户将数据写入缓冲区后，即可不用再处理串口的发送，转而处理其它事务。发送数据的函数原型为：

其中，com为串口设备的编号，p_buffer指向待发送数据的缓冲区，nbytes为发送数据的字节数。返回值为成功写入缓冲区的数据个数。比如，发送一个字符串“Hello World!“，范例程序详见程序清单7.35。

程序清单7.35 发送数据范例程序

3. 接收数据

在AWorks中，同样为每个串口设备都分配了一个接收数据缓冲区（默认大小为128字节），用于缓存串口设备接收到的数据，用户可以通过命令查询当前接收到的数据字节数，其对应的命令为：AW_FIONREAD，获取COM1的接收缓冲区中已接收数据个数的范例程序详见程序清单7.36。

程序清单7.36 获取接收缓冲区中已接收数据个数的范例程序

用户可通过接收数据接口读取缓冲区中的数据，其函数原型为：

其中，com为串口设备的编号，p_buffer指向存储读取数据的缓冲区，maxbytes为读取数据的最大字节数，其值往往与p_buffer指向的缓冲区大小一致。返回值为成功读取的数据个数。例如，接收数据的范例程序详见程序清单7.37。

程序清单7.37 接收数据范例程序

若当前接收缓冲区中具有足够的数据，即已接收数据不小于maxbytes，则成功读取maxbytes字节的数据，函数立即返回。若没有足够的数据，即已接收数据小于maxbytes小，则默认情况下，会一直阻塞等待，直到接收的数据量达到maxbytes。若用户不希望一直阻塞等待，则可以设定一个超时时间，当等待时间达到该值时，无论是否接收到maxbytes字节的数据，函数都会返回。

设定超时时间的命令为：AW_TIOCRDTIMEOUT（在aw_ioctl.h文件中定义）。设置超时时间为100ms的范例程序详见程序清单7.38。

程序清单7.38 设置读等待的超时时间为100ms

例如，通过串口控制LED0的亮灭，当接收到"on"时，则点亮LED0，当接收到"off"时，则熄灭LED0。同时，当接收到可以识别的"on"或"off"命令时，回复"OK!"，若是非法命令，无法识别，则回复"Failed! Unknown Command!"，范例程序详见程序清单7.39。

程序清单7.39 使用串口控制LED0的范例程序

7.6 A/D转换器

7.6.1 模数信号转换

1. 基本原理

我们经常接触的噪声和图像信号都是模拟信号，要将模拟信号转换为数字信号，必须经过采样、保持、量化与编码几个过程，详见图7.14。

图7.14 模数信号转换示意图

将以一定的时间间隔提取信号的大小的操作称为采样，其值为样本值，提取信号大小的时间间隔越短越能正确地重现信号。由于缩短时间间隔会导致数据量增加，所以缩短时间间隔要适可而止。注意，取样频率大于或等于模拟信号中最高频率的2倍，就能够无失真地恢复原信号。

将采样所得信号转换为数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值，采样电路的输出还必须保持一段时间，而采样与保持过程都是同时完成的。虽然通过采样将在时间轴上连续的信号转换成了不连续的（离散的）信号，但采样后的信号幅度仍然是连续的值（模拟量）。

此时可以在振幅方向上以某一定的间隔进行划分，决定个样本值属于哪一区间，将记在其区间的值分配给其样本值。图7.14将区间分割为0~0.5、0.5~1.5、1.5~2.5，再用0、1、2……代表各区间，对小数点后面的值按照四舍五入处理，比如，201.6属于201.5~202.5，则赋值202；123.4属于122.5~123.5，则赋值123，这样的操作称为量化。

量化前的信号幅度与量化后的信号幅度出现了不同，这一差值在重现信号时将会以噪声的形式表现出来，所以将此差值称为量化噪声。为了降低这种噪声，只要将量化时阶梯间的间隔减小就可以了。但减小量化间隔会引起阶梯数目的增加，导致数据量增大。所以量化的阶梯数也必须适当，可以根据所需的信噪比（S/N）确定。

将量化后的信号转换为二进制数，即用0和1的码组合来表示的处理过程称为编码，“1”表示有脉冲，“0”表示无脉冲。当量化级数取为64级时，表示这些数值的二进制的位数必须是6位；当量化级数取为256级时，则必须用8位二进制数表示。

2. 基准电压

基准电压就是模数转换器可以转换的最大电压，以8位A/D模数转换器为例，这种转换器可以将0V到其基准电压范围内的输入电压转换为对应的数值表示。其输入电压范围分别对应4096个数值（步长），其计算方法为：参考电压/256＝5/256＝19.5mV。

看起来这里给出的10位A/D的步长电压值，但上述公式还定义了该模数转化器的转换精度，无论如何所有A/D的转换精度都低于其基准电压的精度，而提高输出精度的唯一方法只有增加定标校准电路。

现在很多MCU都内置A/D，即可以使用电源电压作为其基准电压，也可以使用外部基准电压。如果将电源电压作为基准电压使用的话，假设该电压为5V，则对3V输入电压的测量结果为：（输入电压/基准电压）×255＝（3/5）×255＝99H。显然，如果电源电压升高1%，则输出值为（3/5.05）×255＝97H。实际上典型电源电压的误差一般在2~3%，其变化对A/D的输出影响是很大的。

3. 转换精度

A/D的输出精度是由基准输入和输出字长共同决定的，输出精度定义了A/D可以进行转换的最小电压变化。转换精度就是A/D最小步长值，该值可以通过计算基准电压和最大转换值的比例得到。对于上面给出的使用5V基准电压的8位A/D来说，其分辨率为19.5mV，也就是说，所有低于19.5mV的输入电压的输出值都为0，在19.5mV~39mV之间的输入电压的输出值为1，而在39mV~58.6mV之间的输入电压的输出值为3，以此类推。

提高分辨率的一种方法是降低基准电压，如果将基准电压从5V降到2.5V，则分辨率上升到2.5/256＝9.7mV，但最高测量电压降到了2.5V。而不降低基准电压又能提高分辨率的唯一方法是增加A/D的数字位数，对于使用5V基准电压的12位A/D来说，其输出范围可达4096，其分辨率为1.22mV。

在实际的应用场合是有噪音的，显然该12位A/D会将系统中1.22mV的噪音作为其输入电压进行转换。如果输入信号带有10mV的噪音电压，则只能通过对噪音样本进行多次采样并对采样结果进行平均处理，否则该转换器无法对10mV的真实输入电压进行响应。

4. 累积精度

如果在放大器前端使用误差5%的电阻，则该误差将会导致12位A/D无法正常工作。也就是说，A/D的测量精度一定小于其转换误差、基准电压误差与所有模拟放大器误差的累计之和。虽然转换精度会受到器件误差的制约，但通过对每个系统单独进行定标，也能够得到较为满意的输出精度。如果使用精确的定标电压作为标准输入，且借助存储在MCU程序中的定标电压常数对所有输入进行纠正，则可以有效地提高转换精度，但无论如何无法对温漂或器件老化而带来的影响进行校正。

5. 基准源选型

引起电压基准输出电压背离标称值的主要因素是：初始精度、温度系数与噪声，以及长期漂移等，因此在选择一个电压基准时，需根据系统要求的分辨率精度、供电电压、工作温度范围等情况综合考虑，不能简单地以单个参数为选择条件。

比如，要求12 位A/D分辨到1LSB，即相当于1/212=244ppm。如果工作温度范围在10℃，那么一个初始精度为0.01%（相当于100ppm），温度系数为10ppm/℃（温度范围内偏移100ppm）的基准已能满足系统的精度要求，因为基准引起的总误差为200ppm，但如果工作温度范围扩大到15℃以上，该基准就不适用了。

6. 常用基准源

（1）初始精度的确定

初始精度的选择取决于系统的精度要求，对于数据采集系统来说，如果采用n位的ADC，那么其满刻度分辨率为1/2n，若要求达到1LSB的精度，则电压基准的初始精度为：

初始精度≤1/2n＝1/2n×102％

如果考虑到其它误差的影响，则实际的初始精度要选得比上式更高一些，比如，按1/2LSB的分辨率精度来计算，即上式所得结果再除以2，即：

初始精度≤1/2n+1＝1/2n+1×102％

（2）温度系数的确定

温度系数是选择电压基准另一个重要的参数，除了与系统要求的精度有关外，温度系数还与系统的工作温度范围有直接的关系。对于数据采集系统来说，假设所用ADC的位数是n，要求达到1LSB的精度，工作温度范围是ΔT，那么基准的温度系数TC可由下式确定：

同样地，考虑到其它误差的影响，实际的TC值还要选得比上式更小一些。温度范围ΔT通常以25℃为基准来计算，以工业温度范围-40℃~+85℃为例，ΔT可取60℃（85℃-25℃），因为制造商通常在25℃附近将基准因温度变化引起的误差调到最小。

图7.15 系统精度与基准温度系数TC的关系

如图7.15所示是一个十分有用的速查工具，它以25℃为变化基准，温度在1℃~00℃变化时，8~20位ADC在1LSB分辨精度的要求下，将所需基准的TC值绘制成图，由该图表可迅速查得所需的TC值。

TL431和REF3325/3330均为典型的电压基准源产品，详见表7.22。TL431的输出电压仅用两个电阻就可以在2.5~36V范围内实现连续可调，负载电流1~100mA。在可调压电源、开关电源、运放电路常用它代替稳压二极管。REF3325输出2.5V，REF3330输出3.0V。

表7.22 电压基准源选型参数表

REF33xx是一种低功耗、低压差、高精密度的电压基准产品，采用小型的SC70-3和SOT23-3封装。体积小和功耗低（最大电流为5μA）的特点使得REF33xx系列产品成为众多便携式和电池供电应用的最佳选择。在负载正常的情况下，REF33xx系列产品可在高于指定输出电压180mV的电源电压下工作，但REF3312除外，因为它的最小电源电压为1.8V。

图7.16 12bits系统基准选择

从初始精度和温漂特性来看，REF3325/3330均优于TL431，但是TL431的输出电压范围很宽，且工作电流范围很大，甚至可以代替一些LDO。

由于基准的初始精度和温漂特性是影响系统整体精度的关键参数，因此它们都不能用于高精密的采集系统和高分辨率的场合。而对于12bits的AD来说，由于精度要求在0.1%左右的采集系统，到底选哪个型号呢？测量系统的初始精度，均可通过对系统校准消除初始精度引入的误差；对于温漂的选择，必须参考1LSB分辨精度来进行选择，详见图7.16。

如果不是工作在严苛环境下，通常工作温度为-10℃~50℃，温度变化在60℃，如果考虑0.1%系统精度，温度特性低于50ppm，则选择REF3325/3330。

7.6.2 A/D转换接口

AWorks提供了A/D转换接口，可以直接通过接口获取相应引脚输入的模拟电压大小。相关接口详见表7.23。

表7.23 ADC通用接口函数

1. 获取ADC通道的采样率

获取当前ADC通道的采样率，采样率的单位为Samples/s，表示每秒进行多少次采样。其函数原型为：

其中，ch为ADC的通道号，p_rate为输出参数，用以得到指定通道的采样率。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示获取成功，否则，表示获取失败，失败的原因可能是通道号不存在。

通常情况下，一个A/D转换器往往支持多个通道，即可以支持多路模拟信号输入，在部分微控制器中，还存在多个A/D转换器。在AWorks中，为了区分各个模拟信号输入的通道，为每个通道定义了一个唯一的通道号。例如，在i.MX28x中，有LRADC和HSADC两个A/D转换器，它们分别支持16个通道和8个通道。各通道对应的编号在{chip}_adc_def.h文件中使用宏的形式进行了定义。例如，在i.MX28x中，各个通道号在imx28x_adc_def.h文件中定义如下：

由此可见，通过宏的形式，将通道号 0 ~ 23 使用了更具有意义的宏来表示。用户也可通过查看此文件获知当前硬件平台支持的ADC通道数目。

通道号的类型为aw_adc_channel_t，其本质上是一个无符号整数类型，具体的位宽与平台相关。如一个平台中仅支持24个通道，则其类型可能为uint8_t，即使用8位来表示通道号。获取通道0的采样率范例程序详见程序清单7.40。

程序清单7.40 获取采样率的范例程序

2. 设置ADC通道的采样率

由于采样频率必须大于或等于模拟信号中最高频率的2倍，才能够无失真地恢复原信号，因此，实际中，可能需要根据模拟信号的频率调整A/D转换器的采样率。设置某一通道采样率的函数原型为：

其中，ch为ADC的通道号，rate为设置的采样率。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示设置成功，否则，表示设置失败。

一般情况下，若对采样率没有特殊的要求，使用默认的采样率即可。此外，A/D转换器可能只支持部分采样率，并不能支持任意的采样率，当使用该函数设置采样率时，系统会自动设定一个最为接近的采样率，因此，实际采样率可能与设置的采样率存在差异，实际采样率可由aw_adc_rate_get()函数获取。

注意，通常情况下，一个A/D转换器的所有通道共用一个采样率，因此，设置其中一个通道的采样率时，可能会影响其它通道的采样率。

设置通道0的采样率为1000的范例程序详见程序清单7.41。

程序清单7.41 设置采样率范例程序

设置采样率为1000 Samples/s。表示每秒采集1000个数据点，即每隔1毫秒采集一个数据点。

3. 获取ADC通道的基准电压

一般来讲，在对精度要求不是特别严格的场合，可以直接使用MCU的电源电压作为ADC的基准电压。但若对精度要求较高，往往需要使用具有更高精度的外部基准源电压作为ADC的基准电压。当前ADC实际使用的基准电压可通过该接口获得，其函数原型为：

其中，ch为ADC的通道号。基准电压通过返回值返回：若返回值大于0，则获取成功，其值即为基准电压（单位：mV）；若返回值小于0，则获取失败。

获取通道0的基准电压范例程序详见程序清单7.42。

程序清单7.42 获取基准电压范例程序

例如，基准电压为2.5V，则vref的值为2500。

4. 获取ADC通道的转换位数

获取ADC通道的转换位数，其函数原型为：

其中，ch为ADC的通道号。转换位数通过返回值返回：若返回值大于0，则获取成功，其值即为转换位数；若返回值小于0，则获取失败。

获取通道0的转换位数范例程序详见程序清单7.43。

程序清单7.43 获取转换位数范例程序

如在i.MX28x中，LRADC和HSADC均为12位AD转换器，因此，bits的值为12。

5. 读取ADC通道的采样值

读取指定通道的采样值，其函数原型为：

其中，ch为ADC的通道号，p_val为存储采样值的缓冲区，samples指定本次采样的次数，urgent指定本次读取操作的优先级。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时表示读取成功，否则，表示读取失败。

p_val指向用于存储采样值的缓冲区，缓冲区实际类型与ADC的位数相关：若ADC的位数为 1 ~ 8，则其类型为uint8_t；若ADC的位数为9 ~ 16，则其类型为uint16_t；若ADC的位数为 17 ~ 32，则其类型为uint32_t。例如，在i.MX28x中，ADC的位数为12，则应使用uint16_t类型的缓冲区来存储ADC的采样值。如定义一个大小为100的缓冲区，以存储100个采样值：

samples表示本次读取的采样值个数。实际应用中，每次读取操作往往会读取多个采样值，以便通过取平均值等方法对采样值进行处理，得到更加准确的结果。多个采样值将依次存放在p_val指向的缓冲区中，需确保p_val指向的缓冲区的大小与samples保持一致。

实际上，读取采样值的操作包含的完整过程为：首先需要启动ADC转换，然后等待转换完成（转换的时间与采样率相关），转换完成后，再将转换结果存储在用户提供的缓冲区中。显然，整个过程需要消耗一定的时间。虽然一个A/D转换器往往有多个通道，但某一时刻只能对某一个通道的输入进行转换，并不能同时转换多个通道。若当前A/D转换器正在转换中，则后续其它通道的转换请求就只能排队等待，urgent指定了转换请求的紧急性，其决定了排队的方式，若urgent为TRUE，表示紧急转换请求，排队时将插队到头部，以便当前A/D转换结束后，立即启动需要紧急转换的通道；若urgent为FALSE，则排队时将依次排至尾部。一般情况下，没有特殊需求，urgent均设置为FALSE。

读取100个采样值的范例程序详见程序清单7.44。

程序清单7.44 读取采样值的范例程序

此时，多个采样值存储在adc_val中，实际中，每次读取多个采样值只是为了通过处理得到一个更加精确的采样值，最简单的处理方法就是取平均值，范例程序详见程序清单7.45。

程序清单7.45 数据处理范例程序（取平均值）

注意，程序中，为了避免sum溢出，将sum的类型定义为了32位无符号数。最终的结果存储在code变量中。

至此，获得了一个较为精确的ADC采样值，但在实际使用A/D转换器时，其目的往往并非简单的获取一个ADC采样值，而是获取相应通道的电压值。可以通过基准电压和转换位数将code转换为电压值，公式如下：

式中，code为读取的编码值，Vref为基准电压，bits为ADC的位数。实际中，2的bits次方可以简化为移位运算，即：

获取通道0输入电压的完整范例程序详见程序清单7.46。

程序清单7.46 电压采集综合范例程序

在i.MX28x中，通道0对应的外部输入引脚时LRADC0引脚，运行程序后，可以通过向该引脚接入模拟电压来测试ADC采集的结果是否正确。

程序中，电压值的计算未使用到浮点运算，仅使用了整数运算，效率较高。但运算结果vol的值也只能精确的mV，若需要提高计算结果的精度，可以使用浮点数来存储计算的结果，将vol的类型定义为float，即：

同时，在计算电压值时，要确保表达式使用浮点运算，即：