Zigbee之旅（六）：几个重要的CC2430基础实验——ADC单次采样

Zigbee之旅（六）：几个重要的CC2430基础实验——ADC单次采样

一、承上启下

　　在无线传感器网络中，很重要的一项就是将传感器的模拟值转换成数字量，以便于传输和处理。而ADC（Analog-to-Digital Converter）正是用来完成这种转换的。
　　上一节，我们介绍了CC2430与PC之间的串口通信。CC2430内部已嵌入一个温度传感器，本节将在上一节的基础上，实现一个简单的关于片内温度监测的小实验：利用ADC将片内温度传感器的电压值转换成数字量，利用公式计算出温度值，然后通过串口将温度值传送到PC上并显示出来。

二、ADC单次采样

（1）实验简介

　　利用ADC转换CC2430片内温度传感器的温度值，通过串口将温度值发送到PC并显示出来。

（2）程序流程图

（3）实验源码及剖析

/*
    实验说明：片内温度采集实验,通过串口0将数据发送到PC机
*/

#include <ioCC2430.h>

#define led1 P1_0
#define led2 P1_1
#define led3 P1_2
#define led4 P1_3

/*32M晶振初始化
-------------------------------------------------------*/
void xtal_init(void)
{

  SLEEP &= ~0x04;             //都上电

  while(!(SLEEP & 0x40));     //晶体振荡器开启且稳定

  CLKCON &= ~0x47;          //选择32MHz
晶体振荡器

  SLEEP |= 0x04;
}

/*LED灯初始化
-------------------------------------------------------*/
void led_init(void)
{

  P1SEL  = 0x00;          //P1为普通
I/O 口

  P1DIR |= 0x0F;          //P1.0
P1.1 P1.2 P1.3 输出

  

  led1 = 1;

  led2 = 1;

  led3 = 1;

  led4 = 1;
}

/*UART0初始化
-------------------------------------------------------*/
void  Uart0Init(unsigned char StopBits,unsigned char Parity)
{

   P0SEL |=  0x0C;                  //初始化UART0端口

   PERCFG&= ~0x01;                  //选择UART0为可选位置一

   U0CSR = 0xC0;                    //设置为UART模式,而且使能接受器

   U0GCR = 11;

   U0BAUD = 216;                    //设置UART0波特率为115200bps

   U0UCR |= StopBits|Parity;        //设置停止位与奇偶校验
}

/*UART0发送字符
-------------------------------------------------------*/
void  Uart0Send(unsigned char data)
{

  while(U0CSR&0x01);    //等待UART空闲时发送数据

  U0DBUF = data;
}

/*UART0发送字符串
-------------------------------------------------------*/
void Uart0SendString(unsigned char *s)
{

  while(*s != 0)

    Uart0Send(*s++);
}

/*UART0接收数据
-------------------------------------------------------*/
unsigned char Uart0Receive(void)
{

  unsigned char data;

  while(!(U0CSR&0x04)); //查询是否收到数据，否则继续等待

  data=U0DBUF;

  return data;
}

/*延时函数
-------------------------------------------------------*/
void Delay(unsigned int n)
{

  unsigned int i;

  for(i=0;i<n;i++);

  for(i=0;i<n;i++);

  for(i=0;i<n;i++);

  for(i=0;i<n;i++);

  for(i=0;i<n;i++);
}

/*得到实际温度值
-------------------------------------------------------*/
float getTemperature(void) 
{

  unsigned int  value;

  ADCCON3  = (0x3E);                  //选择1.25V为参考电压；14位分辨率；对片内温度传感器采样

    

  ADCCON1 |= 0x30;                    //选择ADC的启动模式为手动

  ADCCON1 |= 0x40;                    //启动AD转化             

    

  while(!(ADCCON1 & 0x80));           //等待ADC转化结束

  value =  ADCL >> 2;

  value |= (ADCH << 6);               //取得最终转化结果，存入value中

  

  return value*0.06229-311.43;        //根据公式计算出温度值
}

/*主函数
-------------------------------------------------------*/
void main(void)
{

  char i;

  float avgTemp;

  unsigned char output[]="";

        

  xtal_init();

  led_init();

  

  led1 = 0;

  Uart0Init(0x00, 0x00);   //初始化串口：无奇偶校验，停止位为1位

  Uart0SendString("Hello CC2430 - TempSensor!\r\n");

  while(1)

  {

    led1 = 0;

    avgTemp = 0;

    for(i = 0 ; i < 64 ; i++)

    {

      avgTemp += getTemperature();

      avgTemp = avgTemp/2;             //每采样1次，取1次平均值

    }

    

    output[0] = (unsigned char)(avgTemp)/10 + 48;          //十位

    output[1] = (unsigned char)(avgTemp)%10 + 48;          //个位

    output[2] = '.';                                       //小数点 

    output[3] = (unsigned char)(avgTemp*10)%10+48;         //十分位

    output[4] = (unsigned char)(avgTemp*100)%10+48;        //百分位

    output[5] = '\0';                                      //字符串结束符

    

    Uart0SendString(output);

    Uart0SendString("℃\n");

    led1 = 1;                          //LED熄灭，表示转换结束，

    

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

    Delay(20000);

  }
}
　　关于串口通信的代码内容，请参考上一节，在此不解释~
　　ADC一般涉及到6个SFR：

ADCCON1	用于ADC通用控制，包括转换结束标志、ADC触发方式、随机数发生器
ADCCON2	用于连续ADC转换的配置（本实验不涉及连续ADC转换，故不使用此SFR）
ADCCON3	用于单次ADC转换的配置，包括选择参考电压、分辨率、转换源
ADCH[7:0]	ADC转换结果的高位，即ADC[13:6]
ADCL[7:2]	ADC转换结果的低位，即ADC[5:0]
ADCCFG	选择 P0.0~P0.7 作为ADC输入的 AIN0~AIN7（由于本次试验选择片内温度传感器作为转换源，不涉及AIN0~AIN7，故不使用此SFR）

　　（注：以上SFR的具体内容请参考CC2430中文手册）
　　接下来，我们来重点关注一下 getTempurature 函数，它是获取温度值的关键：
　　　　（1）首先配置ADC单次采样：令 ADCCON3=0x3E，选择1.25V为系统电压，选择14位分辨率，选择CC2430片内温度传感器作为ADC转换源
　　　　（2）然后令 ADCCON1 |= 0x30，设置ADC触发方式为手动（即当ADCCON.6=1时，启动ADC转换）
　　　　（3）接着令  ADCCON1 |= 0x40，启动ADC单次转换
　　　　（4）使用语句 while(!(ADCCON1 & 0x80))  等待ADC转换的结束
　　　　（5）转换结果存放在ADCH[7:0]（高8位），ADCH[7:2]（低6位），通过：

  　　value =  ADCL >> 2;

  　　value |= (ADCH << 6);  
　　　
　　　　　　 将转换结果存进 value 中
　　　　（6）最后利用公式 temperature= value*0.06229-311.43 ，计算出温度值并返回即可

CC2430 小贴士

　　你一定会对最后一个公式感到莫名其妙，为什么是一次函数？为什么其斜率为0.06229，其截距为211.43？OK，下面解惑之：
　　此温度传感器是位于CC2430片内的，所以必然可以在其手册中找到其介绍。果不其然，我在 电气规范 这一节中找到了相关内容，现截图如下：


　　此表是描述温度传感器的温度（℃）与输出电压（V）的关系。
　　首先看第二个红框处：温度系数。“系数”？是不是有点感觉？然后再看其单位：mV/℃，你就会恍然大悟，原来温度与电压的关系是线性的啊~ 即有：



　　其中V为输出电压值，T为温度值，2.45为斜率。下面就要确定截距b了。
　　乍一看，我们会在第一个红框处发现0℃时的电压为743mV，那么b就等于743？不然，继续往下看，你会发现其绝对误差达到了8℃之多！然后往右看，我们会发现它已经提供了最适合的截距，即：b=763，因此有如下公式：



　　OK，现在我们已经有了温度传感器的 输入温度T 和 输出电压V 的关系，接下来必须找到ADC的 输入电压V 与 输出值N（即14位的转换结果）的关系，才可最终找到N和T的转换公式。
　　转换结果N是14位的，当N=11 1111 1111 1111（二进制）时，输出电压应为最大值（即参考电压1.25V）。因此我们有下面的比例关系：


　　（注：由于14位的输出结果是2进制的补码，因此第14位为符号位。所以从绝对值的角度来说，有效值只有13位，因此是2的13次方）　　 
　　结合两式，可导出T与N的关系：



　　OVER~

　　最后，稍微提一下为什么每次采样需要进行64循环。因为传感器在测定温度时，难免会受到干扰或者随机性的error，其得到的数据有时候会很夸张（比如说忽然出现10℃的变动，然后又瞬间回复正常。但我们知道温度的变化是一个积分的过程，很少会出现那种在瞬间产生大幅度跳跃的情况）。因此我们采用了取平均值的方法来减少此类误差。

（4）实验结果

　　首先打开串口调试工具，然后下载程序并启动，就会出现如下画面：


　　片内温度大概在14.5℃左右。笔者用身体感受寝室的室温，大概在10℃多一点。芯片内部多少要发点热，所以14℃基本正常啦~
　　到此，实验结束。　　　　

三、结语

　　本篇介绍了ADC单次采样的实现。下一节，我们来介绍一种数据传输模式 DMA（direct memory access），即“直接内存存取”。ADC/UART/RF收发器等外设单元和存储器件之间，可以直接在“DMA控制器”的控制下交换数据而几乎不需要CPU的干预，因此可大大提高了系统的整体效率。