ADC in assembly

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Stesura preliminare

In questa pagina è descritto come usare il Convertitore Analogico Digitale (Analog to Digital Converter, ADC) interno al PIC18 per misurare una tensione continua compresa tra massa ed alimentazione. Se non sapete cosa è un ADC potete andare a questa pagina: il convertitore analogico digitale.

La struttura interna dell'ADC del PIC18

Il convertitore AD del PIC18 è caratterizzato da:

Una risoluzione di 10 bit, cioè la tensione in ingresso viene convertita in un numero intero compreso tra 0 e 1023 (= 2¹⁰- 1). Se lo preferite e ricordando la doppia definizione del termine, la risoluzione è pari a 3.2 mV se le tensioni di fondoscala sono impostate a 0 e 3,3 V
13 ingressi analogici dei quali uno solo alla volta può essere utilizzato
Un tempo di conversione di circa 10-20 µs (aspetto non approfondito in questa pagina se non per evidenziare come sia relativamente elevato)

Di seguito lo schema interno, tratto dai fogli tecnici:

In verde sono evidenziati gli ingressi analogici, da AN0 ad AN12. Questi pin hanno anche altre funzioni e quindi è necessario impostare esplicitamente come ingressi analogici quelli che si vogliono utilizzare per misurare tensioni
In azzurro il multiplexer analogico (A-MUX) la cui funzione è quella di selezionare l'unico ingresso che, in un determinato istante, viene effettivamente utilizzato per la conversione.
In rosso l'ADC vero e proprio. Si osservino due segnali fondamentali ad esso collegati (nota 1):
- GO che ha il compito di far partire la conversione
- DONE che segnala quando la conversione è terminata
- ADON che ha il compito di "accendere" il convertitore
Il risultato necessita di 10 bit, quindi due registri da 8 bit ciascuno, in giallo. I 6 bit non utilizzati possono essere a destra (giustificazione a sinistra) oppure a sinistra (giustificazione a destra), a seconda dell'impostazione di uno specifico flag. Nell'esempio si utilizzerà la seconda impostazione, forse la più naturale.

La struttura interna dell'ADC

Ciascuno dei registri e dei bit indicati nello schema (CHS, ADON, GO/DONE, ADFM, ADRESH, ADRESL...), corrisponde ad un SFR o ad una sua parte o ad un singolo flag.

Il circuito di riferimento

Il circuito utilizzato negli esempi può essere realizzato su breadboard oppure è possibile utilizzare PICdemo oppure PICdemo R2.

L'unico elemento strettamente necessario per il completamento dell'esempio è il potenziometro indicato nello schema come RV1: ha il compito di fornire una tensione compresa tra 0 e 3,3 V all'ingresso RA0/AN0 (nota 2 e nota 4). Le parti rimanenti dello schema (il secondo ingresso analogico collegato a RV2 e i dieci LED) verranno utilizzate per alcuni esercizi o per illustrare aspetti secondari.

Il circuito di riferimento

Conversione analogico-digitale

Tutte le varie fasi della conversione sono effettuate sequenzialmente dal software (polling) e descritte accuratamente nel paragrafo 19.2.9 A/D CONVERSION PROCEDURE dei fogli tecnici. Qui il codice completo che mostra la conversione della tensione analogica collegata a RA0/AN0. Il risultato è memorizzato in una variabile di due byte, da visualizzare inserendo un apposito brakpoint.

Impostare i canali analogici

La prima operazione da effettuare è quella di selezionare quale è il pin che verrà utilizzato come ingresso analogico; occorre disattivare i buffer digitali corrispondenti, sia in ingresso che in uscita, impostando un bit ciascuno nei due registri TRISA e ANSEL:

bsf TRISA, RA0 ; Imposta RA0/AN0 come ingresso
bsf ANSEL, ANS0 ; Imposta RA0/AN0 come ingresso analogico (disattiva l'ingresso digitale)

I dettagli sono ovviamente descritti nei fogli tecnici. Le due figure seguenti mettono in evidenza queste informazioni per il pin RA0/AN0:

Impostazione del registro TRIS

Impostare l'ADC

Occorre quindi configurare l'ADC, attraverso ben tre registri: ADCON0, ADCON1, e ADCON2. Esamiliamoli:

ADCON2

Questo registro è diviso in tre campi evidenziati nella figura seguente da colori diversi, ognuno dei quali ha un diverso significato:

Il registro ADCON2

ADFM (in rosso) - Allineare il risultato a destra: nel risultato avranno significato solo gli otto bit presenti in ADRESL e i due meno significativi di ADREH, come evidenziato nella seguente figura:

ACQT <0:2> (in giallo) - Attendere un certo tempo prima di iniziare la conversione, sufficiente per acquisire il segnale. Il calcolo di questo tempo (T_ACQ) non è banale e richiede qualche conoscenza di elettronica analogica nonché delle caratteristiche della sorgente di tensione; è descritto dalla EQUATION 19-1: ACQUISITION TIME EXAMPLE. Nell'esempio è impostato un valore medio (ACQT<0:2> = 100), adeguato in molti casi (nota 5)
ADCS <0:2> (in azzurro) - Impostare la corretta frequenza di clock da applicare al convertitore, né troppo elevata né troppo bassa. La scelta dipende dalla frequenza del processore, in questo esempio lasciata al valore più basso di 1 MHz

ADCON1

Questo registro permette di scegliere le due tensioni di riferimento alta e bassa, nell'esempio sono impostate a VDD e VSS (alimentazione e massa), la situazione più semplice:

VERF

ADCON0

Anche questo registro è diviso in tre campi evidenziati nella figura seguente da colori diversi, ognuno dei quali ha un diverso significato:

Selezione del canale, avvio della conversione e alimentazione

CHS <3:0> (in giallo) - Scegliere il canale da utilizzare attraverso il multiplexer impostando, quattro bit . Ovviamente è necessario che tale canale sia stato precedentemente impostato come analogico
ADON (in rosso) Alimentare l'ADC, settando in ADCON0 il flag ADON (in rosso)
GO/DONE (in azzurro) - Dalla doppia funzione di avviare la conversione e verificare la sua fine. Questo flag è descritto nel prosieguo del paragrafo

Le istruzioni corrispondenti possono essere lette direttamente nel codice.

Tutte queste operazioni di configurazioni vengono spesso fatte una sola volta, all'inizio del programma. Ovviamente è possibile una loro modifica durante l'esecuzione del programma, per esempio per leggere la tensione da un altro canale, oppure per spegnere l'ADC quando non serve e risparmiare quindi energia.

Leggere una tensione

La prima operazione è avviare la conversione, settando il flag GO:

bsf ADCON0, GO

... e attendere la sua conclusione, verificando il valore del flag DONE ed attendendo il suo azzeramento (nota 6)

attendi
btfsc ADCON0, DONE ; Conversione terminata?
bra attendi ; No, attendi ancora

Entrambe queste operazioni utilizzano un unico flag di ADCON0, con doppio nome e già evidenziato in azzurro nella precedente figura.

A questo punto occorre leggere il risultato dai due registri ADRESH e ADRESL (due byte) e salvarlo nella variabile appositamente allocata. Per visualizzare il risultato all'interno di MPLABX è necessario usare un breakpoint, per esempio in corrispondenza dell'istruzione sleep (nota 3).

Visualizzazione

A volte vogliamo visualizzare il risultato della conversione da analogico a digitale anche al di fuori di MPLABX; possiamo per esempio utilizzare i dieci LED presenti nello schema all'inizio della pagina e collegati a PORTC e ai due bit più significativi di PORTA (nota 7 e nota 8). Di seguito il codice corrispondente, a cui occorre aggiungere la configurazione dei 10 pin usati come uscite digitali, qui non mostrata.

Visualizazione con 10 LED

Questa modalità è tutt'altro che leggibile da un umano, soprattutto se non è abituato a contane in binario...

La seguente è una soluzione che utilizza una modalità tipo VU-Meter digitale, accendendo da un minimo di 0 ad un massimo di 8 LED, a seconda della tensione di ingresso:

Se la tensione digitalizzata è compresa tra 0 e 113 non viene acceso nessun LED
Se la tensione digitalizzata è compresa tra 114 e 227 viene acceso il solo LED più a sinistra
Se la tensione digitalizzata è compresa tra 228 e 342 vengono accesi i due LED più a sinistra
...
Se la tensione digitalizzata è compresa tra 912 e 1 023 vengono accesi tutti gli otto LED

L'analisi dettagliata è lasciata come esercizio, insieme all'esercizio 3

Esercizi e approfondimenti

Modificare il codice dell'esempio per leggere la tensione applicata a AN1
Collegare ad AN2 una fotoresistenza oppure un termistore. É necessario prevedere un partitore di tensione opportuno in modo tale che la tensione in ingresso vari in modo significativo (almeno 1 V di differenza tra il valore massimo e quello minimo)
(Approfondimento) Modificare il codice che visualizza la tensione come VU-Meter per accendere tutti i 10 LED presenti nello schema

Codice

adc.asm

Note

Si osservi che GO e DONE coincidono, pur avendo significati quasi in antitesi
Nei fogli tecnici ed anche in questo testo i nomi utilizzati per indicare lo stesso pin fisico variano e vanno considerati sinonimo; RA0, AN0, ANS0 sono lo stesso pin
L'uso dell'esecuzione passo-passo è sconsigliata in quanto l'ADC si comporta molto male a bassa velocità
Se usate PICdemo per il corretto funzionamento i tre jumper P5, P7 e P8 devono essere inseriti. Inoltre le due resistenze R1 ed R2 sono irrilevanti dal punto di vista funzionale, ma utili per evitare problemi hardware nel caso di errate configurazioni
In questa applicazione il valore di T_ACQ è irrilevante in quanto è usato un solo ingresso a cui la tensione è praticamente costante e sempre applicata
Il tempo necessario per completare la conversione corrisponde all'esecuzione di molte decine di istruzioni
L'uso della porta B è in questo caso complesso in quanto alcuni dei pin sono utilizzato dal PICKIT per il debug
Se si utilizza PICdemo oppure PICdemo R2 è necessario collegare i due LED individuati da X e Y con due cavetti femmina-femmina

Data di creazione di questa pagina: 28 marzo 2017
Ultima modifica: 25 aprile 2018