На кристалле чипа микроконтроллера ESP32-C3 интегрированы 2 аналого-цифровых преобразователя (Analog to Digital Converter, ADC, или по-нашему АЦП), работающие по принципу заполнения данными регистра с последовательным приближением (SAR, Successive Approximation Register). Эти АЦП 12-разрядные, и поддерживают вместе 6 каналов АЦП (внешние выводы, на которых разрешена работа считывания аналоговых уровней).

Работа с аппаратными модулями АЦП осуществляется через библиотеку драйвера ADC системы программирования ESP-IDF [2].

[Ограничения ADC]

Аппаратные органичения. У микроконтроллера ESP32-C3 есть 2 блока АЦП:

typedef enum {
    ADC_UNIT_1,        ///< SAR ADC 1
    ADC_UNIT_2,        ///< SAR ADC 2
} adc_unit_t;

По входам АЦП (порты GPIO0 .. GPIO5) эти блоки АЦП распределены следующим образом:

Важные замечания:

(1) Все АЦП каналы ESP32-C3 имеют функции RTC. Это означает, что все они могут работать в спящих режимах (Deep Sleep).
(2) Есть ограничение ADC2 при использовании Wi-Fi: ADC2 (GPIO5) недоступен при активном Wi-Fi. Поэтому для проектов с Wi-Fi используйте только ADC1 (GPIO0-GPIO4).
(3) Вывод GPIO2 обладает аппаратной функцией управления загрузкой, как и выводы GPIO8 и GPIO9. Это так называемые strapping pins (см. врезку ниже). Поэтому вывод GPIO2 для нормального включения и запуска должен иметь подтяжку к лог. 1, и по этой причине он практически бесполезен для использования как вход АЦП.

Ограничения, связанные с режимом работы. Поскольку модуль ADC2 также используется аппаратурой Wi-Fi, то операция чтения данных АЦП вызовом adc2_get_raw() (между вызовами esp_wifi_start() и esp_wifi_stop()) может быть неудачной. Используйте код возврата, чтобы определить успех операции чтения.

Определенный модуль ADC может работать одновременно только в одном из рабочих режимов: либо в режиме повторяющихся операций преобразование/чтение (Continuous Read Mode), либо в режиме однократного преобразования и чтения результата (Single Read Mode).

ADC1 и ADC2 не могут работать одновременно в режиме Single Read Mode. Один из них будет заблокирован, пока другой не завершит свою операцию.

Для режима непрерывного чтения (Continuous Read Mode) с использованием прямого доступа к памяти (DMA), частота выборок ADC (значение поля sample_freq_hz структуры конфигурации adc_digi_config_t) должно быть в пределах SOC_ADC_SAMPLE_FREQ_THRES_LOW и SOC_ADC_SAMPLE_FREQ_THRES_HIGH.

[Использование драйвера ADC]

Каждый из блоков ADC поддерживает 2 рабочих режима, ADC single read mode и ADC continuous read mode (DMA). Режим однократного чтения (ADC single read mode) подходит для низкочастотных измерений уровня. Режим постоянного чтения (ADC continuous read mode с использованием DMA) подходит для постоянно повторяющихся с высокой частотой измерений.

Примечание: значение уровня, прочитанное с помощью ADC из любого не подключенного вывода, может быть случайным.

Режим ADC Continuous (DMA) Read. Для запуска автоматически повторяющихся преобразований АЦП с использованием DMA выполните следующие шаги:

· Инициализируйте драйвер ADC вызовом функции adc_digi_initialize().
· Инициализируйте контроллер ADC вызовом функции adc_digi_controller_config().
· Запустите автоматические преобразования ADC вызовом функции adc_digi_start().
· После этого ADC вы можете получить прочитанные значения вызовом функции adc_digi_read_bytes(). Перед остановкой ADC (вызовом adc_digi_stop()) драйвер будет продолжать преобразования аналоговых данных в цифровые данные.
· Остановка чтений ADC производится вызовом adc_digi_stop().
· Драйвер ADC деинициализируется вызовом adc_digi_deinitialize().

Режим ADC Single Read. ADC должен быть предварительно сконфигурирован.

· Для ADC1 сконфигурируйте желаемую точность (precision) и ослабление (attenuation) вызовом функций adc1_config_width() и adc1_config_channel_atten().
· Для ADC2 сконфигурируйте ослабление вызовом adc2_config_channel_atten(). Чтение ADC2 конфигурируется при каждом его чтении.

Конфигурирование ослабления делается отдельно для каждого канала, см. adc1_channel_t и adc2_channel_t, значения которых устанавливаются как параметры к показанным выше функциям.

После этого можно прочитать результат преобразования ADC вызовом adc1_get_raw() и adc2_get_raw(). Разрядность чтения ADC2 должно быть установлено параметром adc2_get_raw() вместо использования функций конфигурации.

Примечание: при использовании ADC имеются описанные выше ограничения, см. раздел "Ограничения ADC".

Пример приложения, которое использует ADC в режимах одиночного чтения (single read mode) и режиме автоматической оцифровки (continuous (DMA) read mode) можно найти в директории peripherals/adc/esp32c3 примеров ESP-IDF.

Макросы для идентификации GPIO. Следующие макросы могут использоваться для указания номера вывода GPIO для канала ADC, или наоборот.

ADC1_CHANNEL_0_GPIO_NUM это номер порта GPIO канала 0 для ADC1.

ADC1_GPIOn_CHANNEL это номер канала ADC1 для порта n GPIO.

[Справочник по API драйвера ADC]

API для драйвера ADC состоит из 3 составляющих:

Драйвер ADC
Калибровка ADC
Макросы для идентификации GPIO (GPIO Lookup Macros)

[Калибровка ADC]

[GPIO Lookup Macros]

Заголовочный файл: soc/esp32c3/include/soc/adc_channel.h. Макросы, предназначенные для преобразования каналов ADC в порты GPIO и обратно:

ADC1_GPIO1_CHANNEL, ADC1_CHANNEL_0_GPIO_NUM, ADC1_GPIO2_CHANNEL, ADC1_CHANNEL_1_GPIO_NUM, ADC1_GPIO3_CHANNEL, ADC1_CHANNEL_2_GPIO_NUM, ADC1_GPIO4_CHANNEL, ADC1_CHANNEL_3_GPIO_NUM, ADC1_GPIO5_CHANNEL, ADC1_CHANNEL_4_GPIO_NUM, ADC2_GPIO5_CHANNEL, ADC2_CHANNEL_0_GPIO_NUM.

[Ссылки]

1. ESP32-C3 Analog to Digital Converter site:espressif.com.
2. ESP-IDF Build System.
3. ESP32-C3: работа со встроенным АЦП.
4. ESP32-C3: драйвер АЦП непрерывного режима преобразования.