第23章_瑞萨MCU零基础入门系列教程之ADC与DSP

第23章_瑞萨MCU零基础入门系列教程之ADC与DSP
本教程基于韦东山百问网出的 DShanMCU-RA6M5开发板进行编写，需要的同学可以在这里获取： https://item.taobao.com/item.htm?id=728461040949

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瑞萨MCU零基础入门系列教程汇总： https://blog.csdn.net/qq_35181236/article/details/132779862

第23章 ADC与DSP

本章目标
- 了解ADC基本概念和RA6M5处理器的ADC模块；
- 学会使用RASC配置ADC采样引脚的模拟信号；
- 学会使用RASC配置CMSIS的DSP库对ADC的采样数据做FFT处理；
23.1 ADC简介

自然界的信号几乎都是模拟信号，比如光亮、温度、压力、声音，而为了方便存储、处理，计算机里面都是数字的0/1信号，将模拟信号（连续信号）转换为数字信号（离散信号）的器件就叫模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)。

按原理可分为：并行比较型A/D转换器(FLASH ADC)、逐次比较型A/D转换器(SAR ADC)和双积分式A/D转换器(Double Integral ADC)。

A/D转换过程通常为4步：采样、保持、量化和编码。如下图所示，

一个连续的电压信号ui(t)通过一个由方波CPs控制的开关S之后施加到电容C上，由于电容两端的电压不会突变，可知在S断开时C将维持ui(t)在开关断开瞬间的电压一段时间，直到开关S再次打开。这样，一个模拟的电压信号就转换成了采样展宽信号us(t)，其中CPs的频率就是采样频率fs。最后，由ADC的数字编码电路将采样展宽信号us(t)转换成n位的数字量dn-1:d0并输出。

采样是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号转化为时间上离散的脉冲信号。采样频率（fS）越高，采样越密集，采样值越多，也就越接近模拟信号。为确保采样后的信号能够还原模拟信号，根据香农-奈奎斯特(Shannon & Nyquist)采样定理，采样频率必须大于等于2倍输入模拟信号的最高截止频率（fImax）：

ADC的主要有三个性能指标：分辨率、转换时间和转换精度。
- 分辨率：又称为转换精度，指ADC能分辨的最小电压，通常使用二进制有效位表示，反应了ADC对输入模拟量微小变化的分辨能力。当最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，误差越小，分辨率越高。比如一个12位的ADC，参考电压为3.3V，则其能分辨的最小电压为：
- 转换时间：其倒数为转换速率，指ADC从控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换时间通常与ADC类型有关，双积分型ADC的转换时间一般为几十毫秒，属于低速ADC；逐次逼近型ADC的转换时间一般为几十微妙，属于中速ADC；并联比较型ADC的转换时间一般为几十纳秒，属于高速ADC。
- 转换精度：指ADC输出的数字量所表示的模拟值与实际输入的模拟量之间的偏差，通常为1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB或1/2LSB。
23.2 RA6M5处理器的ADC

23.2.1 硬件特性

ADC的时钟源是PCLKC，在RA6M5的用户手册中对于PCLKC的时钟描述如下图所示：

PCLKC总线时钟最高能到50MHz，也就是说ADC12的转换时钟最高是50MHz。本书所有的实验都是在CPU支持的最高时钟下运行的，因而对于本章的ADC实验而言，其时钟都是50MHz。以50Mhz的ADC时钟而言，其部分硬件特性见下表：

瑞萨RA6M5芯片有2个逐次逼近型硬件ADC单元ADC0和ADC1，两个ADC共有多达26路采样通道（AN000_{AN010，AN012，AN013，AN100}AN102，AN116~AN128），支持的采样有效位有8-bit，10-bit和12-bit。在阻抗为400Ω、时钟为50MHz情况下，采样转换时间最快为0.4us，即25MHz的采样率。

ADC输入范围为：VREFL-≤VIN≤VREFH+。RA6M5的参考电压是由VREFL、VREFH、AVCC0、AVSS0这四个外部引脚决定，且每个单元可以设置不同的参考电压，具体可以通过设置不同通道的VREFL、VREFH进行改变。

在设计原理图的时候一般把AVSS0和VREFL接地，把AVCC0和VREFH接3V3，得到ADC的输入电压范围为：0~3.3V。

如果采用12bit ADC是，那么12位满量程对应的就是3.3V，12位满量程对应的数字值是：2^12 = 4096。数值0对应的就是0V。如果转换后的数字量数值为n，n对应的模拟电压为v，那么：

瑞萨RA6M5的ADC有3种工作模式：
1. 单次扫描模式：在单次扫描下，一次扫描一个或多个指定通道。
2. 连续扫描模式：在连续扫描下，一个或多个指定的通道被重复扫描，直到软件设置寄存器ADCSR.ADST位为0。
3. 分组扫描模式：将所选择的模拟输入通道分为A组和b组，然后按组对组内的通道进行一次A/D转换。A、B组可独立选择扫描启动条件，可独立启动A、B组的A/D转换。
对于单次扫描模式和连续扫描模式，都会从最小的扫描通道开始从低到高进行A/D转换。如果开启了自诊断模式，在每次扫描开始时会执行一次转换，它会在三个参考电压中选择一个来转换。每一种转换模式都有着它的优点和缺点，需要通过实际需求来选择。

23.2.3ADC 的单次扫描采样

在单次扫描下，一次扫描一个或多个指定通道。在单次扫描模式转换期间，可以通过ADST为来判断ADC是否处在工作状态，在ADC转换的期间ADST为将一直保持为1，当所有选定通道的ADST转换完成时，将自动设置为0。
1. 当ADCSR.ADST位通过软件触发器、同步触发器输入（ELC）和异步触发器输入被置1的时候，ADC转换开始。对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小通道开始。
2. 每当单个信道的A/D转换完成时，A/D转换结果都被存储在关联的A/D数据寄存器（ADDRy）中。
3. 当所有选定通道的A/D转换完成时，将产生一个ADC12i_ADI（i=0,1）中断请求。
23.2.4 ADC的连续扫描采样

在连续扫描下，一个或多个指定的通道被重复扫描，直到软件设置寄存器ADCSR.ADST位为0。
1. 当ADCSR.ADST位通过软件触发器、同步触发器输入（ELC）和异步触发器输入被置1的时候，ADC转换开始。对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小通道开始。
2. 每当单个信道的A/D转换完成时，A/D转换结果都被存储在关联的A/D数据寄存器（ADDRy）中。
3. 当所有选定通道的A/D转换完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i=0,1）中断请求。
  ADCSR.ADST位不会自动清除,只要ADCSR.ADST位保持1时就会一直的重复步骤b/c，直到ADCSR.ADST位被软件置为0时ADC转换才会停止，之后ADC单元进入等待状态。
23.2.5 ADC的组扫描采样

将所选择的模拟输入通道分为A组和B组，然后按组对组内的模拟输入通道进行一次A/D转换。A、B组可独立选择扫描启动条件，可独立启动A、B组的A/D转换。
1. 当ELC0上的GPT触发ELC_ADC（A组）时，A组的ADC开始转换。
2. 当组A扫描完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i=0,1）中断。
3. B组的扫描由ELC_ADC（A组）触发。
4. 当B组扫描完成时，如果ADCSR.GBADIE位为1时将生成一个ADC12i_GBADI（i=0,1）中断。
23.2.6 ADC采样触发源

触发ADC开启转换的触发源有多种，主要分为三类：
- 软件触发
- 异步触发，也就是外部引脚ADTRGn触发采样；
- 同步触发，也就是使用ELC连接其他外设信号触发AD采样；
如果使用ELC连接其他外设同步触发AD采样的话，那么触发源就多种多样了。可以通过定时器计数溢出触发、通信结束信号触发等等。使用哪一种触发方式取决于实际的项目需求。

23.2.7 ADC采样转换时间

根据瑞萨RA6M5的用户手册提供的时间转换图：

23.3 ADC-DMAC模块的使用

 23.3.1 配置ADC引脚

在RASC配置界面的“Pins”中的“Peripherals”中找到“Analog:ADC”,根据硬件设计的AD引脚决定选择“ADC0”还是“ADC1”。本书以ADC0的通道5为例，使用的引脚是P005，如下图所示;

23.3.2 配置ADC模块

在FSP配置界面的Stacks中，可以添加两类ADC的Stack模块：ADC和ADC-DMAC Integration。ADC-DMAC是在ADC的基础上再增添DMA功能，在本书下一小节会讲到如何配置。
1. 添加ADC Stack
添加步骤如下图所示：
1. 配置ADC Module General
ADC Module General的参数详情见下表：
1. 配置ADC Module Input
配置ADC的采样通道以及窗口电压比较等，参数描述如下表：
1. 配置ADC Module Interrupts
配置ADC采样的触发源、中断使能优先级和中断回调函数名等，参数描述如下表：
1. 配置ADC Module Extra
使能与否ADC的环形缓冲区。

23.3.3 配置ADC的DMA模块
1. 添加ADC-DMAC
添加步骤如下图所示：

会得到这样一个ADC Stack模块：
1. 配置ADC Module
ADC-DMAC中关于ADC Module的配置中，以下这些参数已被固定、不可更改：
- Module：Single Scan
- ADC Ring Buffer:Enabled
如下图所示：

3.配置DMAC Transfer

ADC-DMAC中关于DMAC的配置有许多也是固定配置不可更改的，允许用户修改的参数如下：
- Name：ADC-DMAC的DMAC在代码中的模块名称，默认g_transfer0；
- Channel：使用的DMAC通道，范围0~7，默认0；
- Destination Pointer：保存数据的目的数组命，默认为NULL；
- Activation Source：触发DMAC进行数据传输的信号源，在ADC采样中最好使用ADC单次扫描完成中断触发，即ADCn SCAN END (A/D scan end interrupt)；
- Callback：DMA传输完成中断调用的中断函数名，默认为NULL；
- Context：DMAC中断回调函数的传入内容，默认为NULL；
- Transfer End Interrupt Priority：DMAC传输数据完成中断优先级，默认Disabled；
如下图所示：

23.3.4 配置GPT和ELC模块

在多数情况下，使用周期性触发的定时器中断来触发ADC的采样。
对于瑞萨RA6M5的GPT模块配置和ELC模块配置在本书前面的章节已经介绍过，此处不再赘述。

23.3.5 ADC的配置信息

ADC的引脚配置信息会在pin_data.c的g_bsp_pin_cfg_data[]数组中生成，代码如下：
```
const ioport_pin_cfg_t g_bsp_pin_cfg_data[] = {
    {.pin = BSP_IO_PORT_00_PIN_05,
     .pin_cfg = ((uint32_t) IOPORT_CFG_ANALOG_ENABLE)
    },
    ......（省略内容）
};
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```
如此处将P005复用为IOPORT_CFG_ANALOG_ENABLE，也就是使能了P005的模拟量输入功能。

ADC设备对象会在hal_data.c中生成，名为g_adc，代码如下:
```
const adc_instance_t g_adc5 =
{
    .p_ctrl    = &g_adc5_ctrl,
    .p_cfg     = &g_adc5_cfg,
    .p_channel_cfg = &g_adc5_channel_cfg,
    .p_api     = &g_adc_on_adc
};
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```
- p_ctrl：它被用来保存ADC的信息，比如状态、寄存器、回调函数等待，原型如下：
```
typedef struct
{
    R_ADC0_Type     * p_reg;                    // Base register for this unit
    adc_cfg_t const * p_cfg;
    uint32_t          opened;         // Boolean to verify that the Unit has been initialized
    uint32_t          initialized;              // Initialized status of ADC
    uint32_t          scan_mask;                // Scan mask used for Normal scan
    uint16_t          scan_start_adcsr;
    void (* p_callback)(adc_callback_args_t *); 
    adc_callback_args_t * p_callback_memory;
    /* Pointer to context to be passed into callback function */
    void const * p_context;
} adc_instance_ctrl_t;
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- p_cfg：指向ADC模块的配置信息结构体g_adc_cfg，其原型如下：
```
typedef struct st_adc_cfg
{
    uint16_t         unit;                             ///< ADC unit to be used
    adc_mode_t       mode;                             ///< ADC operation mode
    adc_resolution_t resolution;                       ///< ADC resolution
    adc_alignment_t  alignment;                        ///< Specify left or right alignment; ignored if addition used
    adc_trigger_t    trigger;                          ///< Default and Group A trigger source
    IRQn_Type        scan_end_irq;                     ///< Scan end IRQ number
    IRQn_Type        scan_end_b_irq;                   ///< Scan end group B IRQ number
    uint8_t          scan_end_ipl;                     ///< Scan end interrupt priority
    uint8_t          scan_end_b_ipl;                   ///< Scan end group B interrupt priority
    void (* p_callback)(adc_callback_args_t * p_args); ///< Callback function; set to NULL for none
    void const * p_context;                            ///< Placeholder for user data. Passed to the user callback in @ref adc_callback_args_t.
    void const * p_extend;                             ///< Extension parameter for hardware specific settings
} adc_cfg_t;
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以软件触发采样为例，g_adc_cfg成员的赋值如下：
```
const adc_cfg_t g_adc5_cfg =
{
    .unit                = 0,
    .mode                = ADC_MODE_SINGLE_SCAN,
    .resolution          = ADC_RESOLUTION_12_BIT,
    .alignment           = (adc_alignment_t) ADC_ALIGNMENT_RIGHT,
    .trigger             = ADC_TRIGGER_SOFTWARE,
    .p_callback          = NULL,
    ....（省略内容）
};
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- p_channel_cfg：指向某个通道的配置值，也是来自RASC的配置，其原型如下：
```
typedef struct st_adc_channel_cfg
{
    uint32_t           scan_mask;    ///< Channels/bits: bit 0 is ch0; bit 15 is ch15.
    uint32_t           scan_mask_group_b;  ///< Valid for group modes.
    uint32_t           add_mask;           ///< Valid if add enabled in Open().
    adc_window_cfg_t * p_window_cfg;   ///< Pointer to Window Compare configuration
    adc_group_a_t      priority_group_a;   ///< Valid for group modes.
    uint8_t            sample_hold_mask;   ///< Channels/bits 0-2.
    uint8_t            sample_hold_states; ///< Number of states to be used for sample and hold. Affects channels 0-2.
} adc_channel_cfg_t;
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以软件触发采样为例，对于通道5，它的配置参数如下：
```
const adc_channel_cfg_t g_adc5_channel_cfg =
{
    .scan_mask           = ADC_MASK_CHANNEL_5 |  0,
    .scan_mask_group_b   =  0,
    .priority_group_a    = ADC_GROUP_A_PRIORITY_OFF,
    .add_mask            =  0,
    .sample_hold_mask    =  0,
    .sample_hold_states  = 24,
    ......（省略内容）
};
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```
- p_api：ADC模块的接口，指向在r_adc.c中实现的g_adc_on_adc结构体。用户可以使用g_adc.p_api中的函数指针来操作ADC。
23.3.6 ADC的API接口及其使用

ADC的API接口，在结构体adc_api_t中声明了，代码如下：
```
typedef struct st_adc_api
{
    fsp_err_t (* open)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_cfg_t const * const p_cfg);
    fsp_err_t (* scanCfg)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, void const * const p_extend);
    fsp_err_t (* scanStart)(adc_ctrl_t * const p_ctrl);
    fsp_err_t (* scanGroupStart)(adc_ctrl_t * p_ctrl, adc_group_mask_t group_mask);
    fsp_err_t (* scanStop)(adc_ctrl_t * const p_ctrl);
    fsp_err_t (* scanStatusGet)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_status_t * p_status);
    fsp_err_t (* read)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, 
                       adc_channel_t const reg_id, uint16_t * const p_data
    fsp_err_t (* read32)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, 
                         adc_channel_t const reg_id, uint32_t * const p_data);
    fsp_err_t (* calibrate)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, void const * p_extend);
    fsp_err_t (* offsetSet)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, 
                           adc_channel_t const reg_id, int32_t const offset);
    fsp_err_t (* callbackSet)(adc_ctrl_t * const p_api_ctrl, 
                              void (* p_callback)(adc_callback_args_t *),
                              void const * const p_context, 
                              adc_callback_args_t * const p_callback_memory);
    fsp_err_t (* close)(adc_ctrl_t * const p_ctrl);
    fsp_err_t (* infoGet)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_info_t * const p_adc_info);
} adc_api_t;
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在r_adc.c中实现了一个adc_api_t结构体，代码如下：
```
const adc_api_t g_adc_on_adc =
{
    .open           = R_ADC_Open,
    .scanCfg        = R_ADC_ScanCfg,
    .infoGet        = R_ADC_InfoGet,
    .scanStart      = R_ADC_ScanStart,
    .scanGroupStart = R_ADC_ScanGroupStart,
    .scanStop       = R_ADC_ScanStop,
    .scanStatusGet  = R_ADC_StatusGet,
    .read           = R_ADC_Read,
    .read32         = R_ADC_Read32,
    .close          = R_ADC_Close,
    .calibrate      = R_ADC_Calibrate,
    .offsetSet      = R_ADC_OffsetSet,
    .callbackSet    = R_ADC_CallbackSet,
};
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```
接下来就来了解下这些函数及其用法。
1. 打开ADC设备
```
fsp_err_t (* open)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_cfg_t const * const p_cfg);
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```
- p_ctrl：在调用open函数的时候可以直接传入&g_adc_ctrl或使用g_adc.p_ctrl；
- p_cfg：在调用open函数的时候可以直接传入&g_adc_cfg或使用g_adc.p_cfg；
open函数初始化ADC，比如根据p_cfg来配置ADC的寄存器，设置中断回调函数等。但是这个函数没有完成对采样通道的初始化，采样通道的初始化需要调用scanCfg函数。

用户可以参考以下代码初始化ADC：
```
fsp_err_t err = g_adc5.p_api->open(g_adc5.p_ctrl, g_adc5.p_cfg);
assert(FSP_SUCCESS == err);
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```
1. 关闭ADC设备
```
fsp_err_t (* close)(adc_ctrl_t * const p_ctrl);
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```
调用close函数就是改变ADC的p-ctrl中代表ADC状态的某些成员的值，并且会关闭ADC的触发源以及停止采样。
1. ADC的采样通道设置
```
fsp_err_t (* scanCfg)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, void const * const p_extend);
1
```
在调用open函数初始化了ADC后，还需要调用scanCfg配置指定的采样通道。用户在调用此函数时，第二个参数传入g_adc的p_channel_cfg成员，例如：
```
err = g_adc5.p_api->scanCfg(g_adc5.p_ctrl, g_adc5.p_channel_cfg);
assert(FSP_SUCCESS == err);
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2
```
1. 软件开启ADC采样/组采样
```
fsp_err_t (* scanStart)(adc_ctrl_t * const p_ctrl);
fsp_err_t (* scanGroupStart)(adc_ctrl_t * p_ctrl, adc_group_mask_t group_mask);
1
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```
如果没有使用组采样模式的话，就是用scanStart函数软件启动ADC采样。

如果使用了组采样模式，那么就需要调用scanGroupStart来启动ADC的组采样，第2个参数是adc_group_mask_t类型，它表示ADC的采样组别，有如下取值：
```
typedef enum e_adc_group_mask
{
    ADC_GROUP_MASK_NONE = 0x000,       ///< Group Mask Unknown or None
    ADC_GROUP_MASK_0    = 0x001,       ///< Group Mask 0
    ADC_GROUP_MASK_1    = 0x002,       ///< Group Mask 1
    ……(省略内容)
    ADC_GROUP_MASK_7    = 0x080,       ///< Group Mask 7
    ADC_GROUP_MASK_8    = 0x100,       ///< Group Mask 8
    ADC_GROUP_MASK_ALL  = 0x1FF,       ///< All Groups
} adc_group_mask_t;
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```
以普通模式为例，用户可以参考以下代码启动ADC的单次扫描采样：
```
fsp_err_t err = g_adc5.p_api->scanStart(g_adc5.p_ctrl);
assert(FSP_SUCCESS == err);
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```
1. 软件中止ADC采样/组采样
```
fsp_err_t (* scanStop)(adc_ctrl_t * const p_ctrl);
fsp_err_t (* scanStatusGet)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_status_t * p_status);
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```
同样的，软件中止ADC采样时，也分为普通模式和组采样模式。不同的模式有各自的中止函数。
1. 读取ADC的采样数据
```
fsp_err_t (* read)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, 
                   adc_channel_t const reg_id, 
                   uint16_t * const p_data);
fsp_err_t (* read32)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, 
                     adc_channel_t const reg_id, 
                     uint32_t * const p_data);
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```
用户通过read函数直接读取到ADC采样到的12bit的有效值。也可以调用read32函数读出采样值并转化为32bit的数据。

以直接读取12bit有效数据为例，用户可以参考以下代码读取ADC数据：
```
err = g_adc5.p_api->read(g_adc5.p_ctrl, ADC_CHANNEL_5, &value[i]);
assert(FSP_SUCCESS == err);
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```
1. ADC的状态获取
```
fsp_err_t (* scanStatusGet)(adc_ctrl_t * const p_ctrl, adc_status_t * p_status);
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```
此函数能够获取到ADC的运行状态，有如下状态：
```
/** ADC states. */
typedef enum e_adc_state
{
    ADC_STATE_IDLE             = 0,    ///< ADC is idle
    ADC_STATE_SCAN_IN_PROGRESS = 1,    ///< ADC scan in progress
} adc_state_t;

/** ADC status. */
typedef struct st_adc_status
{
    adc_state_t state;                 ///< Current state
} adc_status_t;
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```
如果用户采用软件触发采样的话，可以利用此函数判断ADC是否采样完成，例如：
```
while (ADC_STATE_SCAN_IN_PROGRESS == status.state)
{
    g_adc5.p_api->scanStatusGet(g_adc5.p_ctrl, &status);
}
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```
23.4 直流电压采样实验

 23.4.1 设计目的

让用户学会使用瑞萨FSP ADC库函数驱动ADC外设，采样外部模拟电压。

23.4.2 硬件设计

本书配套的开发板板载没有ADC采样电路，用户使用具备ADC功能的引脚，用它来连接外部模拟信号。本书使用的是P005引脚，它对应ADC0的通道5。

23.4.3 驱动程序

1.ADC设备抽象

基于面向对象的编程思想，对ADC设备抽象出了一个结构体类型：
```
typedef struct ADCDev{
    char *name;
    unsigned short channel;
    int (*Init)(struct ADCDev *ptDev);
    int (*Read)(struct ADCDev *ptDev, unsigned short *value, unsigned short num);
}ADCDevTypeDef;
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```
用户需要在ADC的驱动代码中构造ADCDev结构体，代码如下：
```
static int ADCDrvInit(struct ADCDev *ptDev);
static int ADCDrvRead(struct ADCDev *ptDev, unsigned short *value, unsigned short num);
static struct ADCDev gAdcDev = {
    .name = "ADC0",
    .channel = 5,
    .Init = ADCDrvInit,
    .Read = ADCDrvRead
};
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```
并向上层调用者提供获取ADCDev的接口：
```
struct ADCDev *ADCGetDevice(void)
{
    return &gAdcDev;
}
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```
1. 初始化ADC
初始化ADC时，既要初始化ADC，也要初始化ADC里的某个通道。代码如下：
```
static int ADCDrvInit(struct ADCDev *ptDev)
{
    if(NULL == ptDev)   return -1;
    if(5 == ptDev->channel)
    {
        fsp_err_t err = g_adc5.p_api->open(g_adc5.p_ctrl, g_adc5.p_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        
        err = g_adc5.p_api->scanCfg(g_adc5.p_ctrl, g_adc5.p_channel_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
    }
    
    return 0;
}
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- 第06行：调用open函数完成对ADC0的通用初始化；
- 第09行：调用scanCfg函数完成对ADC0通道5的初始化；
1. ADC采样完成等待函数
通过获取ADC的状态，来判断ADC当前是否正在进行采样转换，进而封装出来一个状态等待函数：
```
01	static void ADCWaitConvCplt(void)
02	{
03	    adc_status_t status;
04	    status.state = ADC_STATE_SCAN_IN_PROGRESS;
05	    
06	    while (ADC_STATE_SCAN_IN_PROGRESS == status.state)
07	    {
08	        g_adc5.p_api->scanStatusGet(g_adc5.p_ctrl, &status);
09	    }
10	}
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```
用户使用软件开启ADC采样后，可以调用此函数等待采样转换完成。
1. 数据读取函数
本实验将ADC的开启和数据读取封装到了一个函数中，来开启指定通道的ADC采样以及等待采样完成，并读取、返回数据：
```
static int ADCDrvRead(struct ADCDev *ptDev, unsigned short *value, unsigned short num)
{
    if(NULL == ptDev || NULL == value || num <= 0)   return -1;
    if(5 == ptDev->channel)
    {
        for(uint16_t i=0; i<num; i++)
        {
            fsp_err_t err = g_adc5.p_api->scanStart(g_adc5.p_ctrl);
            assert(FSP_SUCCESS == err);
            ADCWaitConvCplt();
            err = g_adc5.p_api->read(g_adc5.p_ctrl, ADC_CHANNEL_5, &value[i]);
            assert(FSP_SUCCESS == err);
        }
    }
    
    return 0;
}
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23.4.4 测试程序

本次实验采用的测试方法是每隔1s连续采样4次，将采样出来的数字量通过换算得到模拟电压量，将其打印出来观测，测试代码如下：
```
void ADCAppTest(void)
{
    SystickInit();
    UARTDrvInit();
    
    ADCDevTypeDef *ptAdcDev = ADCGetDevice();
    if(NULL == ptAdcDev)
    {
        printf("Error. Not found ADC device!\r\n");
        return;
    }
    printf("Success to find ADC device: %s-%d\r\n", ptAdcDev->name, ptAdcDev->channel);
    ptAdcDev->Init(ptAdcDev);
    while(1)
    {
        uint16_t buf[4] = {0};
        ptAdcDev->Read(ptAdcDev, buf, 4);
        printf("\r\nSample Result:\r\n\t");
        for(uint16_t i=0; i<4; i++)
        {
            float value = (float)(buf[i]*3.3/4096);
            printf("[%d] --> %f\r\n\t", i+1, value);
        }
        HAL_Delay(1000);
    }
}
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23.4.5 测试结果

在hal_entry()中调用测试函数，将编译出来的二进制可执行文件烧录到板子上并运行，将P005接到某个不超过3.3V的直流电压上观察结果，会得到例如下图这样的打印信息：

23.5 DSP库的配置与FFT函数介绍

 23.5.1 CMSIS的DSP库

对应ARM的Cortex-M内核，它对于数据的处理一套DSP库，集成到了ARM的CMSIS架构中，这些库包含以下处理算法：
- BasicMathFunctions：基本数学函数：提供浮点数的各种基本运算函数，如向量加减乘除等运算。
- CommonTables：数字信号处理常用参数表。
- ComplexMathFunctions：复数计算数学函数。
- ControllerFunctions：控制算法函数。包括正弦余弦，PID电机控制，矢量Clarke变换，矢量Clarke逆变换等。
- FastMathFunctions：常见快速算法的数学函数。
- FilteringFunctions：滤波函数功能，主要为FIR和LMS（最小均方根）等滤波函数。
- MatrixFunctions：矩阵处理函数。包括矩阵加法、矩阵初始化、矩阵反、矩阵乘法、矩阵规模、矩阵减法、矩阵转置等函数。
- StatisticsFunctions：统计功能函数。如求平均值、最大值、最小值、计算均方根RMS、计算方差/标准差等。
- SupportFunctions：支持功能函数，如数据拷贝，Q格式和浮点格式相互转换，Q任意格式相互转换。
- TransformFunctions：变换功能。包括复数FFT（CFFT）/复数FFT逆运算（CIFFT）、实数FFT（RFFT）/实数FFT逆运算（RIFFT）、和DCT（离散余弦变换）和配套的初始化函数。
对于CMSIS的DSP库，其内容非常的丰富，读者可以去Keil MDK的CMSIS DSP文档中心了解详细信息：https://www.keil.com/pack/doc/CMSIS/DSP/html/index.html

23.5.2 CMSIS-DSP的FFT算法介绍

CMSIS DSP库里面包含一个专门用于计算实数序列的FFT库，很多情况下，用户只需要计算实数序列即可。计算同样点数FFT的实数序列要比计算同样点数的虚数序列有速度上的优势。快速的rfft算法是基于混合基cfft算法实现的。

一个N点的实数序列FFT正变换采用下面的步骤实现：

由上面的框图可以看出，实数序列的FFT是先计算N/2个实数的CFFT，然后再重塑数据进行处理从而获得半个FFT频谱即可（利用了FFT变换后频谱的对称性）。

一个N点的实数序列FFT逆变换采用下面的步骤实现：

实数FFT支持浮点，Q31和Q15三种数据类型。以Q15和F32的RFFT DSP库函数为例。
1. arm_rfft_q15
此函数原型：
```
void arm_rfft_q15(const arm_rfft_instance_q15 * S, q15_t * pSrc, q15_t * pDst)
1
```
- S：arm_rfft_instance_q15结构体类型支持参数，表明此处FFT的点数和类型（正运算还是逆运算），结构体原型如下：
```
typedef struct
{
    uint32_t fftLenReal;                      /**< length of the real FFT. */
    uint8_t ifftFlagR;                        /**< flag that selects forward (ifftFlagR=0) or inverse (ifftFlagR=1) transform. */
    uint8_t bitReverseFlagR;                  /**< flag that enables (bitReverseFlagR=1) or disables (bitReverseFlagR=0) bit reversal of output. */
    uint32_t twidCoefRModifier;               /**< twiddle coefficient modifier that supports different size FFTs with the same twiddle factor table. */
    const q15_t *pTwiddleAReal;                     /**< points to the real twiddle factor table. */
    const q15_t *pTwiddleBReal;                     /**< points to the imag twiddle factor table. */
#if defined(ARM_MATH_MVEI) && !defined(ARM_MATH_AUTOVECTORIZE)
    arm_cfft_instance_q15 cfftInst;
#else
    const arm_cfft_instance_q15 *pCfft;       /**< points to the complex FFT instance. */
#endif
} arm_rfft_instance_q15;
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```
- fftLenReal：FFT点数
- ifftFlagR：FFT正运算或逆运算标志
- bitReverseFlagR：输出结果是正运算或逆运算的结果
使用arm_rfft_q15函数做FFT运算前需要先使用arm_rfft_instance_q15定义一个变量表明FFT的运算点数和类型：
```
arm_rfft_instance_q15 S = {.fftLenReal = 1024};
1
```
然后再调用arm_rfft_init_q15函数将此变量记录和初始化：
```
arm_rfft_init_q15(&S, 1024, 0, 0);
1
```
最后再调用arm_rfft_q15函数做FFT运算：
```
arm_rfft_q15(&S, (q15_t*)p_buf, (q15_t*)q_buf);
1
```
1. arm_rfft_f32
此函数原型：
```
void arm_rfft_f32(const arm_rfft_instance_f32 * S, float32_t * pSrc, float32_t * pDst)
1
```
用法和arm_rfft_q15非常类似：

2.1 使用arm_rfft_instance_f32定义一个变量表明FFT的运算点数和类型：
```
arm_rfft_instance_f32 S = {.fftLenReal = 1024};
1
```
2.2 然后再调用arm_rfft_init_f32函数将此变量记录和初始化：
```
arm_rfft_init_f32(&S, 1024, 0, 0);
1
```
2.3最后再调用arm_rfft_q15函数做FFT运算：
```
arm_rfft_f32(&S, (float32_t*)p_buf, (float32_t*)q_buf);
1
```
23.6 连续信号的采样和处理实验

 23.6.1 设计目的

让用户学会使用RASC添加CMSIS DSP模块，并学会使用DMAC方式传输ADC的采样数据到内存中，了解定时器触发ADC采样的配置。

23.6.2 模块配置
1. 添加CMSIS DSP
CMSIS DSP的添加步骤如下图所示：
1. 添加ELC模块
参考本书前文《第21章事件链接控制器ELC》。
1. ADC-DMAC的配置
- ADC
- DMA
23.6.3 硬件设计

本书配套的开发板板载没有ADC采样电路，用户使用具备ADC功能的引脚，用它来连接外部模拟信号。本书使用的是P005引脚，它对应ADC0的通道5。

23.6.4 驱动程序

本次实验依然需要抽象ADC设备，参考上一节。
1. 初始化ADC、DMAC、ELC和定时器
在初始化函数中需要完成ADC、DMAC、ELC和定时器的初始化，并且使能DMA、使能ELC，代码如下：
```
static int ADCDrvInit(struct ADCDev *ptDev)
{
    if(NULL == ptDev)   return -1;
    if(5 == ptDev->channel)
    {
        /* 打开ADC设备完成通用初始化 */
        fsp_err_t err = g_adc5.p_api->open(g_adc5.p_ctrl, g_adc5.p_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 配置ADC指令的通道完成初始化 */
        err = g_adc5.p_api->scanCfg(g_adc5.p_ctrl, g_adc5.p_channel_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 打开ELC设备完成初始化 */
        err = g_elc.p_api->open(g_elc.p_ctrl, g_elc.p_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 使能ELC的连接功能 */
        err = g_elc.p_api->enable(g_elc.p_ctrl);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 打开DMA设备完成初始化 */
        err = g_transfer0.p_api->open(g_transfer0.p_ctrl, g_transfer0.p_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 使能DMAC的ELC触发源 */
        err = g_transfer0.p_api->enable(g_transfer0.p_ctrl);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 打开定时器设备完成初始化 */
        err = g_timer0.p_api->open(g_timer0.p_ctrl, g_timer0.p_cfg);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 使能ADC的转换功能 */
        err = g_adc5.p_api->scanStart(g_adc5.p_ctrl);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
    }
    
    return 0;
}
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1. DMAC传输完成中断回调函数
在RASC的配置中，DMAC中断的触发源是传输完所有的数据，因而只需要在中断回调函数中将传输完成标志赋值为true即可：
```
static volatile bool adc_sample_cplt = false;
void adc5_dma_callback(dmac_callback_args_t * p_args)
{
    adc_sample_cplt = true;
}
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1. ADC采样完成等待函数
DMAC传输完成就代表着ADC采样的完成，因而可以依靠DMAC中断回调函数中的标志位来判断ADC是否全部采样完成：
```
static void ADCWaitConvCplt(void)
{
    while(!adc_sample_cplt);
    adc_sample_cplt = false;
}
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1. ADC数据读取函数
此函数里，先重新配置DMAC，再开启定时器，使用定时器来触发ADC转换。然后等待ADC完成后，关闭定时器。ADC的采样结果，通过DMA传输到buffer里。代码如下：
```
static int ADCDrvRead(struct ADCDev *ptDev, unsigned short *buffer, unsigned short num)
{
    if(NULL == ptDev || NULL == buffer || num <= 0)   return -1;
    if(5 == ptDev->channel)
    {
        /* 每次采样前将DMAC的目的地址和传输个数重置 */
        g_transfer0.p_cfg->p_info->p_dest = buffer;
        g_transfer0.p_cfg->p_info->length = num;
        fsp_err_t err = g_transfer0.p_api->reconfigure(g_transfer0.p_ctrl, g_transfer0.p_cfg->p_info);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        /* 开启定时器触发ADC采样 */
        err = g_timer0.p_api->start(g_timer0.p_ctrl);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        ADCWaitConvCplt();
        /* 采样结束后关闭定时器 */
        err = g_timer0.p_api->stop(g_timer0.p_ctrl);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
    }
    
    return 0;
}
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23.6.5 测试程序

本次实验仅仅是对ADC采样的数据做了一次FFT运算，但是并没有对运算出来的结果做进一步的频谱分析。代码如下：
```
#include 

uint16_t p_buf[1024] = {0};
uint16_t q_buf[1024] = {0};

void ADCAppTest(void)
{
    SystickInit();
    UARTDrvInit();
    
    ADCDevTypeDef *ptAdcDev = ADCGetDevice();
    if(NULL == ptAdcDev)
    {
        printf("Error. Not found ADC device!\r\n");
        return;
    }
    printf("Success to find ADC device: %s-%d\r\n", ptAdcDev->name, ptAdcDev->channel);
    ptAdcDev->Init(ptAdcDev);
    
    arm_rfft_instance_q15 S = {.fftLenReal = 1024};
    arm_rfft_init_q15(&S, 1024, 0, 0);
    while(1)
    {
        ptAdcDev->Read(ptAdcDev, p_buf, 512);
        arm_rfft_q15(&S, (q15_t*)p_buf, (q15_t*)q_buf);
        HAL_Delay(1000);
    }
}
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23.6.6 测试结果

本次实验没有结果输出，读者可以自行将FFT运算结果通过串口输出观察。

本章完
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原文地址：https://blog.csdn.net/qq_35181236/article/details/132866477

第23章 ADC与DSP

23.1 ADC简介

23.2 RA6M5处理器的ADC

23.2.1 硬件特性

23.2.3ADC 的单次扫描采样

23.2.4 ADC的连续扫描采样

23.2.5 ADC的组扫描采样

23.2.6 ADC采样触发源

23.2.7 ADC采样转换时间

23.3 ADC-DMAC模块的使用

23.3.1 配置ADC引脚

23.3.2 配置ADC模块

23.3.3 配置ADC的DMA模块

23.3.4 配置GPT和ELC模块

23.3.5 ADC的配置信息

23.3.6 ADC的API接口及其使用

23.4 直流电压采样实验

23.4.1 设计目的

23.4.2 硬件设计

23.4.3 驱动程序

23.4.4 测试程序

23.4.5 测试结果

23.5 DSP库的配置与FFT函数介绍

23.5.1 CMSIS的DSP库

23.5.2 CMSIS-DSP的FFT算法介绍

23.6 连续信号的采样和处理实验

23.6.1 设计目的

23.6.2 模块配置

23.6.3 硬件设计

23.6.4 驱动程序

23.6.5 测试程序

23.6.6 测试结果