本文導(dǎo)讀

在傳統(tǒng)的基于寄存器的開發(fā)模式中，使用一個外設(shè)往往要閱讀英文手冊，理解寄存器每一位的含義，一步一步操作、調(diào)試，十分麻煩。AWorks提供的外設(shè)通用接口不僅可以跨平臺復(fù)用，而且非常簡潔，一個外設(shè)往往只有2~3個接口。本文將介紹通用的I2C、UART和ADC接口。本文為《面向AWorks框架和接口的編程（上）》第三部分軟件篇——第7章通用外設(shè)接口——第4~6小節(jié)：I2C總線、UART總線和A/D轉(zhuǎn)換器。

7.4 I2C總線

7.4.1 I2C總線簡介

I2C器件的兩線制總線，不僅硬件電路非常簡潔，而且還具有極強的復(fù)用性和可移植性。I2C總線不僅適用于電路板內(nèi)器件之間的通信，而且通過中繼器還可以實現(xiàn)電路板與電路板之間長距離的信號傳輸，因此使用I2C器件非常容易構(gòu)建系統(tǒng)級電子產(chǎn)品開發(fā)平臺。其特點如下：

• 總線僅需2根信號線，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互連成本；

• 同一條I2C總線上可以掛接多個器件，器件之間按不同的編址區(qū)分，因此不需要任何附加的I/O或地址譯碼器；

• 非常容易實現(xiàn)I2C總線的自檢功能，以便及時發(fā)現(xiàn)總線的異常情況；

• 總線電氣兼容性好，I2C總線規(guī)定器件之間以開漏I/O互連，因此只要選取適當?shù)纳侠?a target="_blank">電阻就能輕易實現(xiàn)3V/5V邏輯電平的兼容；

• 支持多種通信方式，一主多從是最常見的通信方式。此外還支持雙主機通信、多主機通信與廣播模式；

• 通信速率高，其標準傳輸速率為100Kbps（每秒100K位），在快速模式下為400Kbps，按照后來修訂的版本，位速率可高達3.4Mbps。

7.4.2 I2C接口

絕大部分情況下，MCU都作為I2C主機與I2C從機器件通信，因此這里僅介紹AWorks中將MCU作為I2C主機的相關(guān)接口，接口原型詳見表7.14。

表7.14 I2C標準接口函數(shù)

1. 定義I2C從機器件實例

對于用戶來講，使用I2C總線的目的往往是用于操作一個從機器件，比如，LM75、E²PROM等。MCU作為I2C主機與從機器件通信，需要知道從機器件的相關(guān)信息，比如，I2C從機地址等。在AWorks中，定義了統(tǒng)一的從機器件類型：aw_i2c_device_t，用于包含從機器件相關(guān)的信息，以便主機正確的與之通信。該類型的具體定義用戶無需關(guān)心，在使用I2C操作一個從機器件前，必須先使用該類型定義一個與從機器件對應(yīng)的器件實例，例如：

其中，dev為用戶自定義的從機實例，其地址可以作為接口函數(shù)中p_dev的實參傳遞。

2. 初始化從機器件實例

當完成從機器件實例的定義后，還需要完成其初始化，指定從機器件相關(guān)的信息，初始化函數(shù)的原型為：

其中，p_dev為指向I2C從機實例的指針，busid為I2C總線編號，addr為從機器件地址，flags為從機器件相關(guān)的一些標志。

在AWorks中，一個系統(tǒng)往往具有多條I2C總線，各總線之間通過busid區(qū)分，一個系統(tǒng)實際支持的I2C總線條數(shù)與具體硬件平臺相關(guān)。例如，在i.MX28x系統(tǒng)中，最高可以支持2條I2C總線，對應(yīng)的總線編號即為：0 ~ 1。busid參數(shù)即用于指定使用那條I2C總線與從機器件進行通信。

addr為從機器件的I2C地址，由于讀/寫方向位由系統(tǒng)自動控制，因此，地址中不需要包含讀寫方向位。地址可以為7位地址和10位地址。

flags為從機器件相關(guān)的屬性標志，可分為3大類：從機地址的位數(shù)、是否忽略無應(yīng)答和器件內(nèi)子地址（通常又稱之為“寄存器地址”）的字節(jié)數(shù)。具體可用屬性標志詳見表7.15，可使用“|”操作連接多個屬性標志。

表7.15 從機設(shè)備屬性

例如，要使用I2C0（I2C總線的busid為0）操作溫度傳感器芯片LM75B，則應(yīng)該首先定義并初始化一個與LM75B對應(yīng)的從機器件。這就還需要知道兩點重要的信息：器件從機地址和實例屬性。

要獲取這些信息，就必須查看芯片相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊，對于LM75B，其引腳分布圖詳見圖7.12。LM75B的器件地址為7位地址：1001A₂、A₁、A₀，其中，A₂、A_1、A0分別為引腳A₂、A₁、A₀的狀態(tài)。在擴展板中，LM75B等效的應(yīng)用電路詳見圖7.11。

其中，R9和R10是I2C總線的上拉電阻，同時，只要短接（J13_1、J13_2）與（J11_1、J11_2），LM75的SCL和SDA引腳分別與I2C0總線的SCL和SDA相連。

圖7.11 LM75B應(yīng)用電路

圖7.12 LM75B管腳圖

由圖7.11可知，A₂、A₁、A₀均與地連接，因此，LM75的地址中相應(yīng)位的值均為0，由此可得LM75B的7位地址為：1001000，即0x48。

從機屬性分為從機地址屬性、應(yīng)答屬性和器件內(nèi)子地址屬性。LM75B的從機地址為7位，其對應(yīng)的屬性標志為AW_I2C_ADDR_7BIT。

如果從機實例不能應(yīng)答，則設(shè)置AW_I2C_IGNORE_NAK標志，一般來說，標準的I2C從機器件均可產(chǎn)生應(yīng)答信號，除非特殊說明，否則都不需要使用該標志。LM75B內(nèi)部共計有4個寄存器，它們的定義詳見表7.16。

表7.16 LM75B內(nèi)部寄存器列表

由表中地址欄內(nèi)容可知，所有寄存器的地址均為8位，因此，器件內(nèi)子地址為一個字節(jié)，對應(yīng)的屬性標志為：AW_I2C_SUBADDR_1BYTE。因為器件子地址只有一個字節(jié)，所以沒有高字節(jié)與低字節(jié)之分，也就無需使用

AW_I2C_SUBADDR_MSB_FIRST

或AW_I2C_SUBADDR_LSB_FIRST標志。

通過以上分析，得到了LM75B相關(guān)的從機信息，為此，可以定義并初始化一個與LM75B對應(yīng)的從機器件實例，范例程序詳見程序清單7.26。

程序清單7.26 從機器件實例初始化函數(shù)范例程序

3. 讀操作

從I2C從機器件指定的子地址中讀出數(shù)據(jù)的函數(shù)原型為：

其中，p_dev為指向I2C從機實例的指針，subaddr為器件子地址，以指定讀取數(shù)據(jù)的位置，p_buf指向存放讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，nbytes指定讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示讀取成功，否則，表示讀取失敗。

由表7.16可知，在LM75B中，地址0存放了2字節(jié)的溫度值，如需讀取溫度，則可以直接從地址0中讀取2字節(jié)數(shù)據(jù)，范例程序詳見程序清單7.27。

程序清單7.27 讀取數(shù)據(jù)范例程序

讀取的兩字節(jié)數(shù)據(jù)表示的溫度值是多少呢？這兩個字節(jié)具體表示的溫度值含義可從芯片的數(shù)據(jù)手冊獲取。溫度使用16位二進制補碼表示，最高位為符號位，最高位為1時，表示溫度為負數(shù)。讀取溫度時，讀取的首個字節(jié)是高8位數(shù)據(jù)，緊接著的字節(jié)是低8位數(shù)據(jù)。各個位表示的溫度權(quán)重詳見表7.17。

表7.17 溫度值數(shù)據(jù)各個位的含義

表中，2的n次方表示溫度的權(quán)重。實際中，LM75B的溫度分辨率有限，只能達到小數(shù)點后3位，低5位的值通常為0，是無效的，因此，LM75B實際溫度的分辨率為2^-3，即0.125℃。

據(jù)此，可以將字節(jié)0和字節(jié)1合并為一個有符號的16位整數(shù)，例如：

由于低5位無效，因此，式中將字節(jié)1與0xE0（1110 0000）作了 “與”運算，將低5位可靠的清0。同時，式中將整數(shù)部分左移了8位，小數(shù)部分也使用整數(shù)表示，相當于把原溫度值擴大了256（28）倍。因此，temp的值為實際溫度值的256倍，由此得到了LM75B采集到的溫度值。

基于此，可以編寫一個溫度采集的范例程序，詳見程序清單7.28。

程序清單7.28 溫度采集范例程序

程序中，每秒采集一次溫度值，并使用aw_kprintf()打印輸出。打印輸出當前的溫度值時，由于aw_kprintf()暫時不支持直接打印浮點數(shù)，例如：

因此，分別打印了整數(shù)部分和小數(shù)部分，整數(shù)部分可以將temp整除256得到。計算小數(shù)部分時，先將temp擴大了1000倍，再除以256，得到的值即為實際溫度的1000倍，最后對1000取余，即可得到實際溫度小數(shù)點后3位的值。例如，實際溫度為11.375度，則temp的值為11.375的256倍，即2912，整數(shù)部分即為該值整除256：

小數(shù)部分的值計算過程如下：

最終打印輸出的結(jié)果即為：

這樣的計算過程雖然看起來復(fù)雜了一些，但是其卻從根本上避免了浮點運算，保證了程序運行的效率。在沒有硬件浮點運算單元的MCU中，浮點運算是通過軟件模擬的，效率非常低下。在AWorks中，如非必要，都應(yīng)該盡可能避免浮點運算。即使是在有浮點運算單元的MCU中，也應(yīng)該在一些基礎(chǔ)的運算中避免使用浮點運算，因為在少量簡單的浮點運算中，使用硬件浮點運算單元計算時，效率并不能得到明顯的提升，反而增加了系統(tǒng)的負擔，例如，當外部中斷產(chǎn)生時，需要保護現(xiàn)場，如果使用了硬件浮點運算單元，則保護現(xiàn)場的數(shù)據(jù)量將大大增加。一般來講，只有在需要大量浮點運算的場合（比如，在一些算法計算中，很難使用整數(shù)運算來避免浮點運算），才使用浮點運算。

需要特別說明的是，這里通過I2C總線直接讀取了LM75B溫度傳感器中的溫度值，僅用于介紹I2C總線接口的使用方法。實際中，AWorks已經(jīng)定義了通用的溫度接口，在應(yīng)用中讀取溫度時，均建議直接使用通用的溫度接口。

4. 寫操作

向I2C從機實例指定的子地址中寫入數(shù)據(jù)的函數(shù)原型為：

其中，p_dev為指向I2C從機實例的指針，subaddr為器件子地址，以指定寫入數(shù)據(jù)的位置，p_buf指向存放待寫入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，nbytes指定寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示寫入成功，否則，表示寫入失敗。

由表7.16可知，在LM75B中，地址2和地址3中各存放了2字節(jié)的溫度值，分別表示溫度上限值（T_hyst）和下限值（T_OS），T_hyst必須小于T_OS，兩個溫度值均是可讀可寫的，默認情況下，T_hyst的值為75℃，T_OS的值為80℃。它們存儲溫度值的格式和地址0中溫度值的格式類似，唯一不同的是，其表示溫度的分辨率只有0.5度，因此，小數(shù)部分只有一位有效，低7位全為0。例如，同樣將2字節(jié)數(shù)據(jù)看作一個有符號的16位整數(shù)temp，則temp的值為溫度值的256倍。由此可得，若要表示80.5度，則對應(yīng)的16位數(shù)據(jù)的值為：80.5 * 256 = 20608，即0x5080。

LM75B每次采集到新的溫度時，都將與這兩個溫度值作比較，比較的結(jié)果將決定OS引腳的輸出，以作為一種溫度報警的機制。具體比較的方法與LM75B所處的模式相關(guān)，LM75B可以工作在比較模式或中斷模式（可通過配置寄存器配置）：若LM75B工作在比較模式，則當采樣溫度大于T_OS時，OS引腳輸出激活電平（激活電平可以通過配置寄存器配置為高電平或低電平），當采樣溫度降低到T_HYST以下時，OS引腳恢復(fù)到正常電平；若LM75B工作在中斷模式，首先，采樣溫度與T_OS比較，當采樣溫度大于T_OS時，OS引腳輸出激活電平，直到主機讀取一次LM75B后，OS引腳將自動恢復(fù)為正常電平。接著，采樣溫度將切換為與T_HYST比較，當采樣溫度低于T_HYST時，OS引腳輸出激活電平，直到主機讀取一次LM75B后，OS引腳將自動恢復(fù)為正常電平。接著，又將采樣溫度切換為與T_OS比較，當采樣溫度大于T_OS時，OS引腳輸出激活電平，以此類推。示意圖詳見圖7.13。

圖7.13 LM75B的OS引腳輸出示意圖

注：圖中以激活電平為低電平，正常電平為高電平為例。在中斷模式下，OS引腳可以被兩種操作復(fù)位為正常電平：被主機讀取一次數(shù)據(jù)；主機通過寫配置寄存器，使LM75B進入關(guān)機模式。更多詳細的內(nèi)容可以查閱LM75B的數(shù)據(jù)手冊，這里僅為簡單介紹使用AWorks的I2C接口操作I2C從機器件的方法。

例如，要修改T_OS的值為80.5℃，則需要修改T_OS寄存器的值為0x5080，寫入時，高字節(jié)先寫入，低字節(jié)后寫入，即先寫入0x50，后寫入0x80。范例程序詳見程序清單7.29。

程序清單7.29 寫入數(shù)據(jù)范例程序

由于T_OS寄存器是可讀可寫的，為了驗證是否寫入成功，可以通過I2C讀取接口，再讀取出T_OS寄存器的值，如果讀出的值與寫入的值相同，則表明寫入成功。范例程序詳見程序清單7.30。

程序清單7.30 驗證寫入數(shù)據(jù)是否成功的范例程序

7.5 UART總線

7.5.1 UART簡介

UART

(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一種通用異步收發(fā)傳輸器，其使用串行的方式在雙機之間進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)全雙工通信。數(shù)據(jù)引腳僅包含用于接收數(shù)據(jù)的RXD和用于發(fā)送數(shù)據(jù)的TXD。

UART是一種串行通信協(xié)議，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上按位一位一位的發(fā)送，UART協(xié)議主要有以下幾個概念需要了解：

• 波特率

波特率是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的指標，表示每秒傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，值越大，數(shù)據(jù)通信的速率越高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)迷娇臁３Ｒ姷牟ㄌ芈视?800、9600、14400、19200、38400、115200等等，如果波特率為115200，則表示每秒鐘可以傳輸115200位（注意：是bit，不是byte）數(shù)據(jù)。

• 空閑位

數(shù)據(jù)線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)線處于空閑狀態(tài)。空閑狀態(tài)的電平邏輯為“1”。

• 起始位

起始位表示一幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，起始位的電平邏輯是“0”。

• 數(shù)據(jù)位

緊接起始位后，即為實際通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的位數(shù)可以是5、6、7、8等，數(shù)據(jù)傳輸時，從最低位開始依次傳輸。

• 奇偶校驗位

奇偶校驗位用于接收方對數(shù)據(jù)進行校驗，及時發(fā)現(xiàn)由于通信故障等問題造成的錯誤數(shù)據(jù)。奇偶校驗位是可選的，可以不使用奇偶校驗位。奇偶校驗有奇校驗和偶校驗兩種形式，該位的邏輯電平與校驗方法和所有數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的個數(shù)相關(guān)。

奇校驗：通過設(shè)置該位的值（“1”或“0”），使該位和數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的總個數(shù)為奇數(shù)。例如，數(shù)據(jù)位為8位，值為：10011001，1的個數(shù)為4個（偶數(shù)），則奇校驗時，為了使1的個數(shù)為奇數(shù)，就要設(shè)置奇偶校驗位的值為1，使1的總個數(shù)為5個（奇數(shù)）。

偶校驗：通過設(shè)置該位的值（“1”或“0”），使該位和數(shù)據(jù)位中邏輯“1”的總個數(shù)為偶數(shù)。例如，數(shù)據(jù)位為8位，值為：10011001，1的個數(shù)為4個（偶數(shù)），則偶校驗時，為了使1的個數(shù)為偶數(shù)，就要設(shè)置奇偶校驗位的值為0，使1的個數(shù)保持不變，為4（偶數(shù)）。

通信雙方使用的校驗方法應(yīng)該一致，接收方通過判斷“1”的個數(shù)是否為奇數(shù)（奇校驗）或偶數(shù)（偶校驗）來判定數(shù)據(jù)在通信過程中是否出錯。

• 停止位

停止位表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，其電平邏輯為“1”，其寬度可以是1位、1.5位、2位。即其持續(xù)的時間為位數(shù)乘以傳輸一位的時間（由波特率決定），例如，波特率為115200，則傳輸一位的時間為1/115200秒，約為8.68us。若停止位的寬度為1.5位，則表示停止位持續(xù)的時間為：1.5 × 8.68us ≈ 13us。

常見的幀格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗，1位停止位。由于起始位的寬度恒為1位，不會變化，而數(shù)據(jù)位，校驗位和停止位都是可變的，因此，往往在描述串口通信協(xié)議時，都只是描述其波特率、數(shù)據(jù)位，校驗位和停止位，不再單獨說明起始位。

注意，通信雙方必須使用完全相同的協(xié)議，包括波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位等。如果協(xié)議不一致，則通信數(shù)據(jù)會錯亂，不能正常通信。在通信中，若出現(xiàn)亂碼的情況，應(yīng)該首先檢查通信雙方所使用的協(xié)議是否一致。

7.5.2 串行接口

在AWorks中，定義了通用的串行接口，可以使用串行接口操作UART，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。接口原型詳見表7.18。

表7.18 串行接口（aw_serial.h）

1. UART控制

在使用UART進行數(shù)據(jù)傳輸前，需要正確配置串行通信協(xié)議，比如：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等。其函數(shù)原型為：

其中，com為串口設(shè)備的ID，request表示本次請求控制的命令，p_arg為與request對應(yīng)的參數(shù)，其具體類型與request的值相關(guān)。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示本次控制成功，否則，表示控制失敗。

在AWorks中，一個系統(tǒng)往往可以有多路串口輸出，例如，在i.MX28x中，有1路調(diào)試串口，5路應(yīng)用串口，為了區(qū)分各個串口，為各個串口設(shè)備分配了唯一的編號，如在i.MX28x中，各個串口設(shè)備分配的編號詳見表7.19。

表7.19 各串口設(shè)備對應(yīng)的編號

COM0 ~ COM5是在aw_serial.h文件中定義的宏，即：

request表示本次請求控制的命令，p_arg為與之對應(yīng)的參數(shù)。常見命令與對應(yīng)p_arg參數(shù)的實際類型詳見表7.20。

表7.20 UART常用控制命令

• 設(shè)置波特率

設(shè)置波特率使用SIO_BAUD_SET命令，該命令（包括后文以SIO_口味前綴的各個命令宏定義）在aw_sio_common.h文件中定義，aw_serial.h文件已經(jīng)自動包含該文件，用于無需再額外包含。設(shè)置波特率為115200的范例程序詳見程序清單7.31。

程序清單7.31 設(shè)置波特率范例程序

• 獲取波特率

獲取波特率使用SIO_BAUD_GET命令，獲取波特率的范例程序詳見程序清單7.32。

程序清單7.32 獲取波特率范例程序

• 設(shè)置硬件參數(shù)

設(shè)置硬件參數(shù)包括通信協(xié)議相關(guān)的參數(shù)，比如：數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位等。設(shè)置硬件參數(shù)對應(yīng)的命令為SIO_HW_OPTS_SET，其對應(yīng)的p_arg為32位整數(shù)，是由多個參數(shù)宏通過或（“|”）運算符連接組成。相關(guān)的參數(shù)宏詳見表7.21。

表7.21 UART硬件參數(shù)（aw_sio_common.h）

例如，幾種常見的配置范例詳見程序清單7.33。

程序清單7.33 設(shè)置硬件參數(shù)的范例程序

• 獲取硬件參數(shù)

獲取當前硬件參數(shù)的命令為SIO_HW_OPTS_GET。例如，通過獲取硬件參數(shù)，判斷當前使用何種校驗方式的范例程序詳見程序清單7.34。

程序清單7.34 獲取硬件參數(shù)的范例程序

此外，在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，還會使用到幾個命令，這些命令在講解發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時再詳細介紹。

2. 發(fā)送數(shù)據(jù)

在AWorks中，為每個串口設(shè)備都分配了一個發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（默認大小為128字節(jié)），用于緩存用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)。當用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先會將數(shù)據(jù)加載到緩沖區(qū)中，加載到緩沖區(qū)后，串口設(shè)備將按照設(shè)定的波特率自動發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。用戶將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)后，即可不用再處理串口的發(fā)送，轉(zhuǎn)而處理其它事務(wù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的函數(shù)原型為：

其中，com為串口設(shè)備的編號，p_buffer指向待發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，nbytes為發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。返回值為成功寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)個數(shù)。比如，發(fā)送一個字符串“Hello World!“，范例程序詳見程序清單7.35。

程序清單7.35 發(fā)送數(shù)據(jù)范例程序

3. 接收數(shù)據(jù)

在AWorks中，同樣為每個串口設(shè)備都分配了一個接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（默認大小為128字節(jié)），用于緩存串口設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)，用戶可以通過命令查詢當前接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，其對應(yīng)的命令為：AW_FIONREAD，獲取COM1的接收緩沖區(qū)中已接收數(shù)據(jù)個數(shù)的范例程序詳見程序清單7.36。

程序清單7.36 獲取接收緩沖區(qū)中已接收數(shù)據(jù)個數(shù)的范例程序

用戶可通過接收數(shù)據(jù)接口讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，其函數(shù)原型為：

其中，com為串口設(shè)備的編號，p_buffer指向存儲讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，maxbytes為讀取數(shù)據(jù)的最大字節(jié)數(shù)，其值往往與p_buffer指向的緩沖區(qū)大小一致。返回值為成功讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)。例如，接收數(shù)據(jù)的范例程序詳見程序清單7.37。

程序清單7.37 接收數(shù)據(jù)范例程序

若當前接收緩沖區(qū)中具有足夠的數(shù)據(jù)，即已接收數(shù)據(jù)不小于maxbytes，則成功讀取maxbytes字節(jié)的數(shù)據(jù)，函數(shù)立即返回。若沒有足夠的數(shù)據(jù)，即已接收數(shù)據(jù)小于maxbytes小，則默認情況下，會一直阻塞等待，直到接收的數(shù)據(jù)量達到maxbytes。若用戶不希望一直阻塞等待，則可以設(shè)定一個超時時間，當?shù)却龝r間達到該值時，無論是否接收到maxbytes字節(jié)的數(shù)據(jù)，函數(shù)都會返回。

設(shè)定超時時間的命令為：AW_TIOCRDTIMEOUT（在aw_ioctl.h文件中定義）。設(shè)置超時時間為100ms的范例程序詳見程序清單7.38。

程序清單7.38 設(shè)置讀等待的超時時間為100ms

例如，通過串口控制LED0的亮滅，當接收到"on"時，則點亮LED0，當接收到"off"時，則熄滅LED0。同時，當接收到可以識別的"on"或"off"命令時，回復(fù)"OK!"，若是非法命令，無法識別，則回復(fù)"Failed! Unknown Command!"，范例程序詳見程序清單7.39。

程序清單7.39 使用串口控制LED0的范例程序

7.6 A/D轉(zhuǎn)換器

7.6.1 模數(shù)信號轉(zhuǎn)換

1. 基本原理

我們經(jīng)常接觸的噪聲和圖像信號都是模擬信號，要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，必須經(jīng)過采樣、保持、量化與編碼幾個過程，詳見圖7.14。

圖7.14 模數(shù)信號轉(zhuǎn)換示意圖

將以一定的時間間隔提取信號的大小的操作稱為采樣，其值為樣本值，提取信號大小的時間間隔越短越能正確地重現(xiàn)信號。由于縮短時間間隔會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增加，所以縮短時間間隔要適可而止。注意，取樣頻率大于或等于模擬信號中最高頻率的2倍，就能夠無失真地恢復(fù)原信號。

將采樣所得信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號往往需要一定的時間，為了給后續(xù)的量化編碼電路提供一個穩(wěn)定值，采樣電路的輸出還必須保持一段時間，而采樣與保持過程都是同時完成的。雖然通過采樣將在時間軸上連續(xù)的信號轉(zhuǎn)換成了不連續(xù)的（離散的）信號，但采樣后的信號幅度仍然是連續(xù)的值（模擬量）。

此時可以在振幅方向上以某一定的間隔進行劃分，決定個樣本值屬于哪一區(qū)間，將記在其區(qū)間的值分配給其樣本值。圖7.14將區(qū)間分割為0~0.5、0.5~1.5、1.5~2.5，再用0、1、2……代表各區(qū)間，對小數(shù)點后面的值按照四舍五入處理，比如，201.6屬于201.5~202.5，則賦值202；123.4屬于122.5~123.5，則賦值123，這樣的操作稱為量化。

量化前的信號幅度與量化后的信號幅度出現(xiàn)了不同，這一差值在重現(xiàn)信號時將會以噪聲的形式表現(xiàn)出來，所以將此差值稱為量化噪聲。為了降低這種噪聲，只要將量化時階梯間的間隔減小就可以了。但減小量化間隔會引起階梯數(shù)目的增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增大。所以量化的階梯數(shù)也必須適當，可以根據(jù)所需的信噪比（S/N）確定。

將量化后的信號轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，即用0和1的碼組合來表示的處理過程稱為編碼，“1”表示有脈沖，“0”表示無脈沖。當量化級數(shù)取為64級時，表示這些數(shù)值的二進制的位數(shù)必須是6位；當量化級數(shù)取為256級時，則必須用8位二進制數(shù)表示。

2. 基準電壓

基準電壓就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換的最大電壓，以8位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器為例，這種轉(zhuǎn)換器可以將0V到其基準電壓范圍內(nèi)的輸入電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)值表示。其輸入電壓范圍分別對應(yīng)4096個數(shù)值（步長），其計算方法為：參考電壓/256＝5/256＝19.5mV。

看起來這里給出的10位A/D的步長電壓值，但上述公式還定義了該模數(shù)轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)換精度，無論如何所有A/D的轉(zhuǎn)換精度都低于其基準電壓的精度，而提高輸出精度的唯一方法只有增加定標校準電路。

現(xiàn)在很多MCU都內(nèi)置A/D，即可以使用電源電壓作為其基準電壓，也可以使用外部基準電壓。如果將電源電壓作為基準電壓使用的話，假設(shè)該電壓為5V，則對3V輸入電壓的測量結(jié)果為：（輸入電壓/基準電壓）×255＝（3/5）×255＝99H。顯然，如果電源電壓升高1%，則輸出值為（3/5.05）×255＝97H。實際上典型電源電壓的誤差一般在2~3%，其變化對A/D的輸出影響是很大的。

3. 轉(zhuǎn)換精度

A/D的輸出精度是由基準輸入和輸出字長共同決定的，輸出精度定義了A/D可以進行轉(zhuǎn)換的最小電壓變化。轉(zhuǎn)換精度就是A/D最小步長值，該值可以通過計算基準電壓和最大轉(zhuǎn)換值的比例得到。對于上面給出的使用5V基準電壓的8位A/D來說，其分辨率為19.5mV，也就是說，所有低于19.5mV的輸入電壓的輸出值都為0，在19.5mV~39mV之間的輸入電壓的輸出值為1，而在39mV~58.6mV之間的輸入電壓的輸出值為3，以此類推。

提高分辨率的一種方法是降低基準電壓，如果將基準電壓從5V降到2.5V，則分辨率上升到2.5/256＝9.7mV，但最高測量電壓降到了2.5V。而不降低基準電壓又能提高分辨率的唯一方法是增加A/D的數(shù)字位數(shù)，對于使用5V基準電壓的12位A/D來說，其輸出范圍可達4096，其分辨率為1.22mV。

在實際的應(yīng)用場合是有噪音的，顯然該12位A/D會將系統(tǒng)中1.22mV的噪音作為其輸入電壓進行轉(zhuǎn)換。如果輸入信號帶有10mV的噪音電壓，則只能通過對噪音樣本進行多次采樣并對采樣結(jié)果進行平均處理，否則該轉(zhuǎn)換器無法對10mV的真實輸入電壓進行響應(yīng)。

4. 累積精度

如果在放大器前端使用誤差5%的電阻，則該誤差將會導(dǎo)致12位A/D無法正常工作。也就是說，A/D的測量精度一定小于其轉(zhuǎn)換誤差、基準電壓誤差與所有模擬放大器誤差的累計之和。雖然轉(zhuǎn)換精度會受到器件誤差的制約，但通過對每個系統(tǒng)單獨進行定標，也能夠得到較為滿意的輸出精度。如果使用精確的定標電壓作為標準輸入，且借助存儲在MCU程序中的定標電壓常數(shù)對所有輸入進行糾正，則可以有效地提高轉(zhuǎn)換精度，但無論如何無法對溫漂或器件老化而帶來的影響進行校正。

5. 基準源選型

引起電壓基準輸出電壓背離標稱值的主要因素是：初始精度、溫度系數(shù)與噪聲，以及長期漂移等，因此在選擇一個電壓基準時，需根據(jù)系統(tǒng)要求的分辨率精度、供電電壓、工作溫度范圍等情況綜合考慮，不能簡單地以單個參數(shù)為選擇條件。

比如，要求12 位A/D分辨到1LSB，即相當于1/212=244ppm。如果工作溫度范圍在10℃，那么一個初始精度為0.01%（相當于100ppm），溫度系數(shù)為10ppm/℃（溫度范圍內(nèi)偏移100ppm）的基準已能滿足系統(tǒng)的精度要求，因為基準引起的總誤差為200ppm，但如果工作溫度范圍擴大到15℃以上，該基準就不適用了。

6. 常用基準源

（1）初始精度的確定

初始精度的選擇取決于系統(tǒng)的精度要求，對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，如果采用n位的ADC，那么其滿刻度分辨率為1/2n，若要求達到1LSB的精度，則電壓基準的初始精度為：

初始精度≤1/2n＝1/2n×102％

如果考慮到其它誤差的影響，則實際的初始精度要選得比上式更高一些，比如，按1/2LSB的分辨率精度來計算，即上式所得結(jié)果再除以2，即：

初始精度≤1/2n+1＝1/2n+1×102％

（2）溫度系數(shù)的確定

溫度系數(shù)是選擇電壓基準另一個重要的參數(shù)，除了與系統(tǒng)要求的精度有關(guān)外，溫度系數(shù)還與系統(tǒng)的工作溫度范圍有直接的關(guān)系。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，假設(shè)所用ADC的位數(shù)是n，要求達到1LSB的精度，工作溫度范圍是ΔT，那么基準的溫度系數(shù)TC可由下式確定：

同樣地，考慮到其它誤差的影響，實際的TC值還要選得比上式更小一些。溫度范圍ΔT通常以25℃為基準來計算，以工業(yè)溫度范圍-40℃~+85℃為例，ΔT可取60℃（85℃-25℃），因為制造商通常在25℃附近將基準因溫度變化引起的誤差調(diào)到最小。

圖7.15 系統(tǒng)精度與基準溫度系數(shù)TC的關(guān)系

如圖7.15所示是一個十分有用的速查工具，它以25℃為變化基準，溫度在1℃~00℃變化時，8~20位ADC在1LSB分辨精度的要求下，將所需基準的TC值繪制成圖，由該圖表可迅速查得所需的TC值。

TL431和REF3325/3330均為典型的電壓基準源產(chǎn)品，詳見表7.22。TL431的輸出電壓僅用兩個電阻就可以在2.5~36V范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，負載電流1~100mA。在可調(diào)壓電源、開關(guān)電源、運放電路常用它代替穩(wěn)壓二極管。REF3325輸出2.5V，REF3330輸出3.0V。

表7.22 電壓基準源選型參數(shù)表

REF33xx是一種低功耗、低壓差、高精密度的電壓基準產(chǎn)品，采用小型的SC70-3和SOT23-3封裝。體積小和功耗低（最大電流為5μA）的特點使得REF33xx系列產(chǎn)品成為眾多便攜式和電池供電應(yīng)用的最佳選擇。在負載正常的情況下，REF33xx系列產(chǎn)品可在高于指定輸出電壓180mV的電源電壓下工作，但REF3312除外，因為它的最小電源電壓為1.8V。

圖7.16 12bits系統(tǒng)基準選擇

從初始精度和溫漂特性來看，REF3325/3330均優(yōu)于TL431，但是TL431的輸出電壓范圍很寬，且工作電流范圍很大，甚至可以代替一些LDO。

由于基準的初始精度和溫漂特性是影響系統(tǒng)整體精度的關(guān)鍵參數(shù)，因此它們都不能用于高精密的采集系統(tǒng)和高分辨率的場合。而對于12bits的AD來說，由于精度要求在0.1%左右的采集系統(tǒng)，到底選哪個型號呢？測量系統(tǒng)的初始精度，均可通過對系統(tǒng)校準消除初始精度引入的誤差；對于溫漂的選擇，必須參考1LSB分辨精度來進行選擇，詳見圖7.16。

如果不是工作在嚴苛環(huán)境下，通常工作溫度為-10℃~50℃，溫度變化在60℃，如果考慮0.1%系統(tǒng)精度，溫度特性低于50ppm，則選擇REF3325/3330。

7.6.2 A/D轉(zhuǎn)換接口

AWorks提供了A/D轉(zhuǎn)換接口，可以直接通過接口獲取相應(yīng)引腳輸入的模擬電壓大小。相關(guān)接口詳見表7.23。

表7.23 ADC通用接口函數(shù)

1. 獲取ADC通道的采樣率

獲取當前ADC通道的采樣率，采樣率的單位為Samples/s，表示每秒進行多少次采樣。其函數(shù)原型為：

其中，ch為ADC的通道號，p_rate為輸出參數(shù)，用以得到指定通道的采樣率。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示獲取成功，否則，表示獲取失敗，失敗的原因可能是通道號不存在。

通常情況下，一個A/D轉(zhuǎn)換器往往支持多個通道，即可以支持多路模擬信號輸入，在部分微控制器中，還存在多個A/D轉(zhuǎn)換器。在AWorks中，為了區(qū)分各個模擬信號輸入的通道，為每個通道定義了一個唯一的通道號。例如，在i.MX28x中，有LRADC和HSADC兩個A/D轉(zhuǎn)換器，它們分別支持16個通道和8個通道。各通道對應(yīng)的編號在{chip}_adc_def.h文件中使用宏的形式進行了定義。例如，在i.MX28x中，各個通道號在imx28x_adc_def.h文件中定義如下：

由此可見，通過宏的形式，將通道號 0 ~ 23 使用了更具有意義的宏來表示。用戶也可通過查看此文件獲知當前硬件平臺支持的ADC通道數(shù)目。

通道號的類型為aw_adc_channel_t，其本質(zhì)上是一個無符號整數(shù)類型，具體的位寬與平臺相關(guān)。如一個平臺中僅支持24個通道，則其類型可能為uint8_t，即使用8位來表示通道號。獲取通道0的采樣率范例程序詳見程序清單7.40。

程序清單7.40 獲取采樣率的范例程序

2. 設(shè)置ADC通道的采樣率

由于采樣頻率必須大于或等于模擬信號中最高頻率的2倍，才能夠無失真地恢復(fù)原信號，因此，實際中，可能需要根據(jù)模擬信號的頻率調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率。設(shè)置某一通道采樣率的函數(shù)原型為：

其中，ch為ADC的通道號，rate為設(shè)置的采樣率。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示設(shè)置成功，否則，表示設(shè)置失敗。

一般情況下，若對采樣率沒有特殊的要求，使用默認的采樣率即可。此外，A/D轉(zhuǎn)換器可能只支持部分采樣率，并不能支持任意的采樣率，當使用該函數(shù)設(shè)置采樣率時，系統(tǒng)會自動設(shè)定一個最為接近的采樣率，因此，實際采樣率可能與設(shè)置的采樣率存在差異，實際采樣率可由aw_adc_rate_get()函數(shù)獲取。

注意，通常情況下，一個A/D轉(zhuǎn)換器的所有通道共用一個采樣率，因此，設(shè)置其中一個通道的采樣率時，可能會影響其它通道的采樣率。

設(shè)置通道0的采樣率為1000的范例程序詳見程序清單7.41。

程序清單7.41 設(shè)置采樣率范例程序

設(shè)置采樣率為1000 Samples/s。表示每秒采集1000個數(shù)據(jù)點，即每隔1毫秒采集一個數(shù)據(jù)點。

3. 獲取ADC通道的基準電壓

一般來講，在對精度要求不是特別嚴格的場合，可以直接使用MCU的電源電壓作為ADC的基準電壓。但若對精度要求較高，往往需要使用具有更高精度的外部基準源電壓作為ADC的基準電壓。當前ADC實際使用的基準電壓可通過該接口獲得，其函數(shù)原型為：

其中，ch為ADC的通道號。基準電壓通過返回值返回：若返回值大于0，則獲取成功，其值即為基準電壓（單位：mV）；若返回值小于0，則獲取失敗。

獲取通道0的基準電壓范例程序詳見程序清單7.42。

程序清單7.42 獲取基準電壓范例程序

例如，基準電壓為2.5V，則vref的值為2500。

4. 獲取ADC通道的轉(zhuǎn)換位數(shù)

獲取ADC通道的轉(zhuǎn)換位數(shù)，其函數(shù)原型為：

其中，ch為ADC的通道號。轉(zhuǎn)換位數(shù)通過返回值返回：若返回值大于0，則獲取成功，其值即為轉(zhuǎn)換位數(shù)；若返回值小于0，則獲取失敗。

獲取通道0的轉(zhuǎn)換位數(shù)范例程序詳見程序清單7.43。

程序清單7.43 獲取轉(zhuǎn)換位數(shù)范例程序

如在i.MX28x中，LRADC和HSADC均為12位AD轉(zhuǎn)換器，因此，bits的值為12。

5. 讀取ADC通道的采樣值

讀取指定通道的采樣值，其函數(shù)原型為：

其中，ch為ADC的通道號，p_val為存儲采樣值的緩沖區(qū)，samples指定本次采樣的次數(shù)，urgent指定本次讀取操作的優(yōu)先級。返回值為標準的錯誤號，返回AW_OK時表示讀取成功，否則，表示讀取失敗。

p_val指向用于存儲采樣值的緩沖區(qū)，緩沖區(qū)實際類型與ADC的位數(shù)相關(guān)：若ADC的位數(shù)為 1 ~ 8，則其類型為uint8_t；若ADC的位數(shù)為9 ~ 16，則其類型為uint16_t；若ADC的位數(shù)為 17 ~ 32，則其類型為uint32_t。例如，在i.MX28x中，ADC的位數(shù)為12，則應(yīng)使用uint16_t類型的緩沖區(qū)來存儲ADC的采樣值。如定義一個大小為100的緩沖區(qū)，以存儲100個采樣值：

samples表示本次讀取的采樣值個數(shù)。實際應(yīng)用中，每次讀取操作往往會讀取多個采樣值，以便通過取平均值等方法對采樣值進行處理，得到更加準確的結(jié)果。多個采樣值將依次存放在p_val指向的緩沖區(qū)中，需確保p_val指向的緩沖區(qū)的大小與samples保持一致。

實際上，讀取采樣值的操作包含的完整過程為：首先需要啟動ADC轉(zhuǎn)換，然后等待轉(zhuǎn)換完成（轉(zhuǎn)換的時間與采樣率相關(guān)），轉(zhuǎn)換完成后，再將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在用戶提供的緩沖區(qū)中。顯然，整個過程需要消耗一定的時間。雖然一個A/D轉(zhuǎn)換器往往有多個通道，但某一時刻只能對某一個通道的輸入進行轉(zhuǎn)換，并不能同時轉(zhuǎn)換多個通道。若當前A/D轉(zhuǎn)換器正在轉(zhuǎn)換中，則后續(xù)其它通道的轉(zhuǎn)換請求就只能排隊等待，urgent指定了轉(zhuǎn)換請求的緊急性，其決定了排隊的方式，若urgent為TRUE，表示緊急轉(zhuǎn)換請求，排隊時將插隊到頭部，以便當前A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，立即啟動需要緊急轉(zhuǎn)換的通道；若urgent為FALSE，則排隊時將依次排至尾部。一般情況下，沒有特殊需求，urgent均設(shè)置為FALSE。

讀取100個采樣值的范例程序詳見程序清單7.44。

程序清單7.44 讀取采樣值的范例程序

此時，多個采樣值存儲在adc_val中，實際中，每次讀取多個采樣值只是為了通過處理得到一個更加精確的采樣值，最簡單的處理方法就是取平均值，范例程序詳見程序清單7.45。

程序清單7.45 數(shù)據(jù)處理范例程序（取平均值）

注意，程序中，為了避免sum溢出，將sum的類型定義為了32位無符號數(shù)。最終的結(jié)果存儲在code變量中。

至此，獲得了一個較為精確的ADC采樣值，但在實際使用A/D轉(zhuǎn)換器時，其目的往往并非簡單的獲取一個ADC采樣值，而是獲取相應(yīng)通道的電壓值。可以通過基準電壓和轉(zhuǎn)換位數(shù)將code轉(zhuǎn)換為電壓值，公式如下：

式中，code為讀取的編碼值，Vref為基準電壓，bits為ADC的位數(shù)。實際中，2的bits次方可以簡化為移位運算，即：

獲取通道0輸入電壓的完整范例程序詳見程序清單7.46。

程序清單7.46 電壓采集綜合范例程序

在i.MX28x中，通道0對應(yīng)的外部輸入引腳時LRADC0引腳，運行程序后，可以通過向該引腳接入模擬電壓來測試ADC采集的結(jié)果是否正確。

程序中，電壓值的計算未使用到浮點運算，僅使用了整數(shù)運算，效率較高。但運算結(jié)果vol的值也只能精確的mV，若需要提高計算結(jié)果的精度，可以使用浮點數(shù)來存儲計算的結(jié)果，將vol的類型定義為float，即：

同時，在計算電壓值時，要確保表達式使用浮點運算，即：