本文章旨在評(píng)估使用 Zephyr RTOS 在 Renesas FPB-RA6E2 開發(fā)板上實(shí)現(xiàn) ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和 PWM(脈寬調(diào)制)功能的應(yīng)用。評(píng)估內(nèi)容包括設(shè)備樹配置、驅(qū)動(dòng)初始化流程、主程序邏輯的詳細(xì)解析,以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析。
1. 硬件連接與引腳定義
本實(shí)驗(yàn)涉及 ADC、DAC 和 PWM 的硬件資源,以下是關(guān)鍵引腳及其功能:
| 功能 | 物理引腳 (Pin) | 信號(hào)定義 | 接線說明 |
|---|---|---|---|
| ADC 輸入 | P013 | Analog In (AN011) | 連接至 DAC 輸出或外部信號(hào)源 |
| DAC 輸出 | P014 | Analog Out (DA0) | 輸出模擬電壓 |
| PWM 輸出 | P408 | PWM Signal | 使用 GPT1 定時(shí)器通道 1 |
2. 軟件環(huán)境配置
2.1 Device Tree Overlay (app.overlay)
設(shè)備樹用于定義外設(shè)的物理引腳綁定和初始狀態(tài)。以下是關(guān)鍵配置:
ADC 配置
&adc0 {
status = "okay";
pinctrl-0 = < &adc0_default >;
pinctrl-names = "default";
channel@0 {
reg = < 0 >;
zephyr,gain = "ADC_GAIN_1";
zephyr,reference = "ADC_REF_INTERNAL";
zephyr,acquisition-time = < ADC_ACQ_TIME_DEFAULT >;
zephyr,resolution = < 12 >;
};
};
};
};};
#### DAC 配置
&dac0 {
status = "okay";
pinctrl-0 = < &dac0_default >;
pinctrl-names = "default";
};
&pinctrl {
dac0_default: dac0_default {
group1 {
psels = < RA_PSEL(RA_PSEL_DAC, 0, 14) >;
renesas,analog-enable;
};
};
};
};
};};
#### PWM 配置
&pwm1 {
status = "okay";
};
pwmleds {
compatible = "pwm-leds";
pwm_led_p408: pwm_led_p408 {
pwms = < &pwm1 1 PWM_MSEC(1) PWM_POLARITY_NORMAL >;
};
};
};
};};
### 2.2 Kconfig 配置 (prj.conf)
確保啟用了 ADC、DAC 和 PWM 驅(qū)動(dòng)支持:
CONFIG_ADC=y
CONFIG_DAC=y
CONFIG_PWM=y
CONFIG_LOG=y
3. 代碼邏輯分析
3.1 核心流程
ADC 流程
/*
* Copyright (c) 2020 Libre Solar Technologies GmbH
*
* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
*/
#include < inttypes.h >
#include < stddef.h >
#include < stdint.h >
#include < zephyr/device.h >
#include < zephyr/devicetree.h >
#include < zephyr/drivers/adc.h >
#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < zephyr/sys/util.h >
#if !DT_NODE_EXISTS(DT_PATH(zephyr_user)) ||
!DT_NODE_HAS_PROP(DT_PATH(zephyr_user), io_channels)
#error "No suitable devicetree overlay specified"
#endif
#define DT_SPEC_AND_COMMA(node_id, prop, idx)
ADC_DT_SPEC_GET_BY_IDX(node_id, idx),
/* Data of ADC io-channels specified in devicetree. */
static const struct adc_dt_spec adc_channels[] = {
DT_FOREACH_PROP_ELEM(DT_PATH(zephyr_user), io_channels,
DT_SPEC_AND_COMMA)
};
int main(void)
{
int err;
uint32_t count = 0;
uint16_t buf;
struct adc_sequence sequence = {
.buffer = &buf,
/* buffer size in bytes, not number of samples */
.buffer_size = sizeof(buf),
};
/* Configure channels individually prior to sampling. */
for (size_t i = 0U; i < ARRAY_SIZE(adc_channels); i++) {
if (!adc_is_ready_dt(&adc_channels[i])) {
printk("ADC controller device %s not readyn", adc_channels[i].dev- >name);
return 0;
}
err = adc_channel_setup_dt(&adc_channels[i]);
if (err < 0) {
printk("Could not setup channel #%d (%d)n", i, err);
return 0;
}
}
while (1) {
printk("ADC reading[%u]:n", count++);
for (size_t i = 0U; i < ARRAY_SIZE(adc_channels); i++) {
int32_t val_mv;
printk("- %s, channel %d: ",
adc_channels[i].dev- >name,
adc_channels[i].channel_id);
(void)adc_sequence_init_dt(&adc_channels[i], &sequence);
err = adc_read_dt(&adc_channels[i], &sequence);
if (err < 0) {
printk("Could not read (%d)n", err);
continue;
}
/*
* If using differential mode, the 16 bit value
* in the ADC sample buffer should be a signed 2's
* complement value.
*/
if (adc_channels[i].channel_cfg.differential) {
val_mv = (int32_t)((int16_t)buf);
} else {
val_mv = (int32_t)buf;
}
printk("%"PRId32, val_mv);
err = adc_raw_to_millivolts_dt(&adc_channels[i],
&val_mv);
/* conversion to mV may not be supported, skip if not */
if (err < 0) {
printk(" (value in mV not available)n");
} else {
printk(" = %"PRId32" mVn", val_mv);
}
}
k_msleep(1000);
}
return 0;
}
- 初始化 ADC 驅(qū)動(dòng)并配置通道。
- 調(diào)用
adc_read函數(shù)讀取模擬輸入值。 - 將讀取的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓(基于參考電壓和分辨率)。
DAC 流程
/*
* Copyright (c) 2020 Libre Solar Technologies GmbH
*
* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
*/
#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < zephyr/drivers/dac.h >
#define ZEPHYR_USER_NODE DT_PATH(zephyr_user)
#if (DT_NODE_HAS_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac) &&
DT_NODE_HAS_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_channel_id) &&
DT_NODE_HAS_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_resolution))
#define DAC_NODE DT_PHANDLE(ZEPHYR_USER_NODE, dac)
#define DAC_CHANNEL_ID DT_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_channel_id)
#define DAC_RESOLUTION DT_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_resolution)
#else
#error "Unsupported board: see README and check /zephyr,user node"
#define DAC_NODE DT_INVALID_NODE
#define DAC_CHANNEL_ID 0
#define DAC_RESOLUTION 0
#endif
static const struct device *const dac_dev = DEVICE_DT_GET(DAC_NODE);
static const struct dac_channel_cfg dac_ch_cfg = {
.channel_id = DAC_CHANNEL_ID,
.resolution = DAC_RESOLUTION,
#if defined(CONFIG_DAC_BUFFER_NOT_SUPPORT)
.buffered = false,
#else
.buffered = true,
#endif /* CONFIG_DAC_BUFFER_NOT_SUPPORT */
};
int main(void)
{
if (!device_is_ready(dac_dev)) {
printk("DAC device %s is not readyn", dac_dev- >name);
return 0;
}
int ret = dac_channel_setup(dac_dev, &dac_ch_cfg);
if (ret != 0) {
printk("Setting up of DAC channel failed with code %dn", ret);
return 0;
}
printk("Generating sawtooth signal at DAC channel %d.n",
DAC_CHANNEL_ID);
while (1) {
/* Number of valid DAC values, e.g. 4096 for 12-bit DAC */
const int dac_values = 1U < < DAC_RESOLUTION;
/*
* 1 msec sleep leads to about 4 sec signal period for 12-bit
* DACs. For DACs with lower resolution, sleep time needs to
* be increased.
* Make sure to sleep at least 1 msec even for future 16-bit
* DACs (lowering signal frequency).
*/
const int sleep_time = 4096 / dac_values > 0 ?
4096 / dac_values : 1;
for (int i = 0; i < dac_values; i++) {
ret = dac_write_value(dac_dev, DAC_CHANNEL_ID, i);
if (ret != 0) {
printk("dac_write_value() failed with code %dn", ret);
return 0;
}
k_sleep(K_MSEC(sleep_time));
}
}
return 0;
}
- 初始化 DAC 驅(qū)動(dòng)并設(shè)置通道分辨率。
- 調(diào)用
dac_write_value函數(shù)輸出模擬電壓。 - 通過循環(huán)生成鋸齒波或三角波。
PWM 流程
/*
* Copyright (c) 2016 Intel Corporation
* Copyright (c) 2020 Nordic Semiconductor ASA
*
* SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
*/
#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < zephyr/device.h >
#include < zephyr/drivers/pwm.h >
/*
* 獲取設(shè)備樹中的 pwm-led0 別名
* 注意:根據(jù)之前的 Overlay 配置,這對(duì)應(yīng) P408 引腳
*/
static const struct pwm_dt_spec pwm_dev = PWM_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(pwm_led0));
#define PERIOD PWM_MSEC(1)
/* 每次循環(huán)增加的占空比百分?jǐn)?shù) */
#define STEP 5
/* 每次速度變化的間隔時(shí)間 (毫秒) */
#define SLEEP_MS 500
int main(void)
{
int ret;
uint8_t duty_cycle = 0; // 當(dāng)前占空比 (0-100)
uint32_t pulse_width = 0; // 實(shí)際脈寬時(shí)間
if (!pwm_is_ready_dt(&pwm_dev)) {
printk("Error: PWM device %s is not readyn",
pwm_dev.dev- >name);
return 0;
}
printk("Starting pwm control on channel %d...n", pwm_dev.channel);
ret = pwm_set_dt(&pwm_dev, PERIOD, 0);
if (ret) {
printk("Error: PWM device does not support period %lun", PERIOD);
return 0;
}
while (1) {
/* 計(jì)算脈寬: (周期 * 百分比) / 100 */
pulse_width = (uint32_t)((uint64_t)PERIOD * duty_cycle / 100U);
/* 設(shè)置 PWM: 周期固定,改變脈寬 */
ret = pwm_set_dt(&pwm_dev, PERIOD, pulse_width);
if (ret) {
printk("Error %d: failed to set pulse widthn", ret);
return 0;
}
/* 增加速度 */
duty_cycle += STEP;
/* 如果超過 100%,重置為 0 */
if (duty_cycle > 100) {
duty_cycle = 0;
printk(" > > Resetting cycle <
- 初始化 PWM 驅(qū)動(dòng)并設(shè)置周期。
- 調(diào)用
pwm_set_dt函數(shù)調(diào)整占空比。 - 通過循環(huán)實(shí)現(xiàn)占空比的動(dòng)態(tài)變化。
3.2 關(guān)鍵 API 使用
以下是代碼中使用的關(guān)鍵 API:
ADC
int adc_read(const struct device *dev, const struct adc_sequence *sequence);
dev: ADC 設(shè)備句柄。sequence: 包含通道、緩沖區(qū)和采樣時(shí)間的配置結(jié)構(gòu)體。
DAC
int dac_write_value(const struct device *dev, uint8_t channel, uint32_t value);
dev: DAC 設(shè)備句柄。channel: DAC 通道 ID。value: 輸出的數(shù)字值。
PWM
int pwm_set_dt(const struct pwm_dt_spec *spec, uint32_t period, uint32_t pulse);
spec: PWM 設(shè)備樹綁定結(jié)構(gòu)體。period: PWM 周期(納秒)。pulse: PWM 脈寬(納秒)。
4. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)分析
4.1 ADC 數(shù)據(jù)采集
終端應(yīng)顯示如下數(shù)據(jù)流:
ADC reading[0]:
* adc@40170000, channel 0: 0 = 0 mV
4.2 DAC 輸出波形
- 初始狀態(tài) : DAC 輸出 0V。
- 運(yùn)行時(shí) : 生成鋸齒波或三角波,頻率由延時(shí)控制。
- 視覺效果 : 使用示波器觀測(cè) P014 引腳,應(yīng)看到穩(wěn)定的波形。

4.3 PWM 占空比變化
- 初始狀態(tài) : PWM 輸出低電平。
- 運(yùn)行時(shí) : 占空比從 0% 到 100% 循環(huán)變化。
- 視覺效果 : 使用 LED 或示波器觀測(cè) P408 引腳,亮度或波形應(yīng)隨占空比變化。
5. 測(cè)評(píng)總結(jié)
本程序成功演示了 Renesas RA6E2 在 Zephyr RTOS 下的 ADC、DAC 和 PWM 外設(shè)控制。通過閉環(huán)測(cè)試驗(yàn)證了數(shù)模轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性,并展示了嵌入式系統(tǒng)中“數(shù)字-模擬-數(shù)字”的完整轉(zhuǎn)換過程。代碼結(jié)構(gòu)清晰,適配了最新的驅(qū)動(dòng) API,適用于初學(xué)者學(xué)習(xí)和開發(fā)者快速驗(yàn)證硬件功能。
-
單片機(jī)
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adc
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開發(fā)板
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Zephyr
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