ผลต่างระหว่างรุ่นของ "การวัดสัญญาณแอนะล็อกด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์"

รุ่นแก้ไขปัจจุบันเมื่อ 17:59, 12 กุมภาพันธ์ 2563

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223

เนื้อหา

1 สัญญาณแอนะล็อกและการบันทึกค่า
2 วงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล 10 บิตของ ATMega168
3 ฟังก์ชันอ่านสัญญาณแอนะล็อก
4 บทความที่เกี่ยวข้อง

สัญญาณแอนะล็อกและการบันทึกค่า

ตัวอย่างสัญญาณแอนะล็อก

ข้อมูลที่อ่านจากสภาพแวดล้อมบ่อยครั้งมักจะอยู่ในรูปข้อมูลต่อเนื่อง (continuous data) หรือข้อมูลแอนะล็อก (analog data) ตัวอย่างข้อมูลลักษณะนี้ในชีวิตประจำวันได้แค่อุณหภูมิ ความสว่างของห้อง ความเร็วรถยนต์ น้ำหนัก ส่วนสูง ฯลฯ เมื่อข้อมูลนี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นรูปสัญญาณ (เช่นแรงดันไฟฟ้า) เพื่อให้สามารถอ่านและประมวลผลได้โดยวงจรอิเล็คทรอนิคส์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ จะถูกเรียกว่าเป็น สัญญาณแอนะล็อก (analog signal) ดังแสดงในรูปด้านข้าง

การบันทึกข้อมูลแบบดิจิทัล 2 ระดับ (1 บิต)

อย่างไรก็ตาม หากเรานำเอาสัญญาณเหล่านี้ป้อนให้กับขาดิจิทัลอินพุทของไมโครคอนโทรลเลอร์ ตัวสัญญาณจะถูกตีความเป็นสองระดับ คือลอจิก 0 หรือ 1 เท่านั้น นั่นหมายถึงถ้าสัญญาณมีค่าแรงดันสูงกว่าค่าหนึ่ง ไมโครคอนโทรลเลอร์จะตีความอินพุทเป็นลอจิก 1 และหากสัญญาณมีแรงดันต่ำกว่านั้นก็จะถูกตีความเป็นลอจิก 0 ดังแสดงในตัวอย่าง

การบันทึกข้อมูลแบบดิจิทัล 1024 ระดับ (10 บิต)

จะเห็นว่าการตีความสัญญาณแอนะล็อกด้วยดิจิทัลลอจิกเพียงสองระดับนั้นทำให้การอ่านค่าสัญญาณมีความหยาบมาก แต่หากเราใช้ขนาดของข้อมูลที่มากกว่า 1 บิตระดับของการตีความก็จะมากขึ้นตามไปด้วยเป็นทวีคูณ ตัวอย่างที่เห็นในรูปเป็นการตีความสัญญาณแอนะล็อกด้วยข้อมูลดิจิทัลขนาด 10 บิต (1024 ระดับ)

ไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่มักมีวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลอยู่ภายในตัวเรียบร้อยแล้ว ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATMega168 ที่เราใช้ก็เช่นกัน ภายในชิปจะมีวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นข้อมูลดิจิทัลขนาด 10 บิตที่เขียนโปรแกรมเรียกใช้งานได้ทันที

วงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล 10 บิตของ ATMega168

ไมโครคอนโทรลเลอร์เบอร์ ATMega168 รุ่นที่เป็นขา DIP 28 ขานั้นสามารถประมวลผลอินพุทที่เป็นสัญญาณแอนะล็อกผ่านทางขา ADC0 ถึง ADC5 (ซึ่งคือขา PC0 ถึง PC5) เท่านั้น กระบวนการทำงานของการแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นข้อมูลดิจิทัลเป็นดังรูปด้านล่าง

ภายในชิป ATMega168 นั้นจะมีมอดูลแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลเพียงแค่ชุดเดียว ดังนั้นกระบวนการเรียกใช้งานจึงมีขั้นตอนดังนี้

กำหนดค่าให้กับมัลติเพล็กเซอร์ในชิปว่าต้องการดึงสัญญาณอินพุทจากขาใด (ADC0..ADC5) มาป้อนเข้ากับวงจรแปลงสัญญาณฯ ค่าดังกล่าวต้องถูกเซ็ตให้กับบิต 3..0 ของรีจีสเตอร์ ADMUX
สั่งเปิดการใช้งานวงจรแปลงสัญญาณฯ โดยส่งลอจิก 1 ไปที่บิต ADEN (ADC Enable - บิต 7) ของรีจีสเตอร์ ADCSRA
สั่งให้วงจรแปลงสัญญาณฯ เริ่มกระบวนการแปลง โดยส่งลอจิก 1 ไปที่บิต ADSC (ADC Start Conversion - บิต 6) ของรีจีสเตอร์ ADCSRA
รอจนกระทั่งบิต ADSC มีค่าเป็นลอจิกศูนย์ นั่นหมายถึงกระบวนการแปลงได้เสร็จสิ้นแล้ว
ผลลัพธ์ของการแปลงจะถูกเก็บไว้ในรีจีสเตอร์ ADCL (8 บิตต่ำ) และ ADCH (8 บิตสูง) เพื่อให้การอ่านค่าเป็นไปได้อย่างถูกต้องตามกลไกของไมโครคอนโทรลเลอร์ ค่าในรีจีสเตอร์ ADCL ต้องถูกอ่านออกมาก่อน ADCH

ค่าที่ได้จากการแปลงจะเป็นตามสูตร

ADC={\frac {V_{IN}\cdot 1024}{V_{REF}}}

โดย $V_{IN}$ คือแรงดันที่ขาแอนะล็อกอินพุทที่ถูกเลือก ส่วน $V_{REF}$ คือแรงดันอ้างอิง ซึ่งเราสามารถเลือกแหล่งแรงดันได้โดยการตั้งค่าที่บิต 6 และ 7 ของรีจีสเตอร์ ADMUX ตัวอย่างฟังก์ชันด้านล่างมีการตั้งแหล่งแรงดันอ้างอิงให้เป็นแรงดันที่ขา AREF ซึ่งต่อเข้ากับ VCC จึงมีแรงดันเท่ากับ 5 โวลท์

ฟังก์ชันอ่านสัญญาณแอนะล็อก

เพื่อความสะดวก เราจะสร้างฟังก์ชัน read_adc ขึ้นมาจากกระบวนการข้างต้น ฟังก์ชันนี้รับพารามิเตอร์เป็นหมายเลขขาของพอร์ท C จากนั้นจึงคืนค่าสัญญาณแอนะล็อกที่อ่านได้และแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัล 10 บิตเรียบร้อยแล้วกลับออกมา

uint16_t read_adc(uint8_t channel)
{
    ADMUX = (0<<REFS1)|(1<<REFS0) // ระบุให้ใช้ VCC เป็นแรงดันอ้างอิง (Vref) และ
          | (0<<ADLAR)            // บันทึกผลลัพธ์ชิดขวาในคู่รีจีสเตอร์ ADCH/ADCL
          | (channel & 0b1111);   // ตั้งค่า MUX เป็นค่า channel

    ADCSRA = (1<<ADEN)            // เปิดวงจร ADC
           | (1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0) // ใช้ความเร็ว 1/128 ของคล็อกระบบ
           | (1<<ADSC);           // สั่งวงจร ADC ให้เริ่มต้นการแปลง

    while ((ADCSRA & (1<<ADSC)))  // รอจนบิต ADSC กลายเป็น 0 ซึ่งหมายถึงการแปลงเสร็จสิ้น
       ;

    return ADCL + ADCH*256;  // ผลลัพธ์ถูกเก็บอยู่ในรีจีสเตอร์ ADCL และ ADCH
    // สามารถใช้ return ADC ได้เช่นกัน
}

@@ แถว 1: / แถว 1: @@
+: ''วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา [[01204223]]''
 == สัญญาณแอนะล็อกและการบันทึกค่า ==
+[[Image:analog-signal.png|150px|thumb|ตัวอย่างสัญญาณแอนะล็อก]]
+ข้อมูลที่อ่านจากสภาพแวดล้อมบ่อยครั้งมักจะอยู่ในรูปข้อมูลต่อเนื่อง (continuous data) หรือข้อมูลแอนะล็อก (analog data) ตัวอย่างข้อมูลลักษณะนี้ในชีวิตประจำวันได้แค่อุณหภูมิ ความสว่างของห้อง ความเร็วรถยนต์ น้ำหนัก ส่วนสูง ฯลฯ เมื่อข้อมูลนี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นรูปสัญญาณ (เช่นแรงดันไฟฟ้า) เพื่อให้สามารถอ่านและประมวลผลได้โดยวงจรอิเล็คทรอนิคส์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ จะถูกเรียกว่าเป็น [http://en.wikipedia.org/wiki/Analog_signal สัญญาณแอนะล็อก (analog signal)] ดังแสดงในรูปด้านข้าง
+<br style="clear: both"/>
-[[Image:analog-signal.png|150px|thumb|ตัวอย่างสัญญาณแอนะล็อก]]
 [[Image:2-level.png|150px|thumb|การบันทึกข้อมูลแบบดิจิทัล 2 ระดับ (1 บิต)]]
+อย่างไรก็ตาม หากเรานำเอาสัญญาณเหล่านี้ป้อนให้กับขาดิจิทัลอินพุทของไมโครคอนโทรลเลอร์ ตัวสัญญาณจะถูกตีความเป็นสองระดับ คือลอจิก 0 หรือ 1 เท่านั้น นั่นหมายถึงถ้าสัญญาณมีค่าแรงดันสูงกว่าค่าหนึ่ง ไมโครคอนโทรลเลอร์จะตีความอินพุทเป็นลอจิก 1 และหากสัญญาณมีแรงดันต่ำกว่านั้นก็จะถูกตีความเป็นลอจิก 0 ดังแสดงในตัวอย่าง
+<br style="clear: both"/>
 [[Image:1024-level.png|150px|thumb|การบันทึกข้อมูลแบบดิจิทัล 1024 ระดับ (10 บิต)]]
+จะเห็นว่าการตีความสัญญาณแอนะล็อกด้วยดิจิทัลลอจิกเพียงสองระดับนั้นทำให้การอ่านค่าสัญญาณมีความหยาบมาก แต่หากเราใช้ขนาดของข้อมูลที่มากกว่า 1 บิตระดับของการตีความก็จะมากขึ้นตามไปด้วยเป็นทวีคูณ ตัวอย่างที่เห็นในรูปเป็นการตีความสัญญาณแอนะล็อกด้วยข้อมูลดิจิทัลขนาด 10 บิต (1024 ระดับ)
+<br style="clear: both"/>
-== การอ่านสัญญาณแอนะล็อก ==
+ไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่มักมีวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลอยู่ภายในตัวเรียบร้อยแล้ว ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATMega168 ที่เราใช้ก็เช่นกัน ภายในชิปจะมีวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นข้อมูลดิจิทัลขนาด 10 บิตที่เขียนโปรแกรมเรียกใช้งานได้ทันที
-ใช้ฟังก์ชันต่อไปนี้ในการอ่านสัญญาณแอนะล็อกจากขาของพอร์ท C โดยระบุหมายเลขขาเป็นพารามิเตอร์ของฟังก์ชัน
- uint16_t read_adc(uint8_t channel)
- {
-     ADMUX = 0b01000000; // เลือกใช้แรงดันอ้างอิงจากขา AREF
-     ADMUX |= channel;   // ตั้ง MUX ให้ชี้ไปยัง channel
-     ADCSRA = 0b11000110;
-     //         ||   -+-
-     //         ||    |
-     //         ||    +-> ปรับคล็อกของ ADC ให้เป็น 1/64 ของคล็อกระบบ
-     //         |+->เริ่มแปลงค่าแอนะล็อกเป็นดิจิทัล
-     //         |
-     //         +-> Enable ADC
-     while ((ADCSRA & (1<<ADSC))) // รอจนบิต ADSC (บิต 6) กลายเป็น 0
-         ;
-     return ADCL + ADCH*256;  // ผลลัพธ์ถูกเก็บอยู่ในรีจีสเตอร์ ADCL และ ADCH
- }
+== วงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล 10 บิตของ ATMega168 ==
 ไมโครคอนโทรลเลอร์เบอร์ ATMega168 รุ่นที่เป็นขา DIP 28 ขานั้นสามารถประมวลผลอินพุทที่เป็นสัญญาณแอนะล็อกผ่านทางขา ADC0 ถึง ADC5 (ซึ่งคือขา PC0 ถึง PC5) เท่านั้น กระบวนการทำงานของการแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นข้อมูลดิจิทัลเป็นดังรูปด้านล่าง
 [[Image:adc-block.png|center|500px]]
+ภายในชิป ATMega168 นั้นจะมีมอดูลแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัลเพียงแค่ชุดเดียว ดังนั้นกระบวนการเรียกใช้งานจึงมีขั้นตอนดังนี้
+# กำหนดค่าให้กับมัลติเพล็กเซอร์ในชิปว่าต้องการดึงสัญญาณอินพุทจากขาใด (ADC0..ADC5) มาป้อนเข้ากับวงจรแปลงสัญญาณฯ ค่าดังกล่าวต้องถูกเซ็ตให้กับบิต 3..0 ของรีจีสเตอร์ ADMUX
+# สั่งเปิดการใช้งานวงจรแปลงสัญญาณฯ โดยส่งลอจิก 1 ไปที่บิต ADEN (ADC Enable - บิต 7) ของรีจีสเตอร์ ADCSRA
+# สั่งให้วงจรแปลงสัญญาณฯ เริ่มกระบวนการแปลง โดยส่งลอจิก 1 ไปที่บิต ADSC (ADC Start Conversion -  บิต 6) ของรีจีสเตอร์ ADCSRA
+# รอจนกระทั่งบิต ADSC มีค่าเป็นลอจิกศูนย์ นั่นหมายถึงกระบวนการแปลงได้เสร็จสิ้นแล้ว
+# ผลลัพธ์ของการแปลงจะถูกเก็บไว้ในรีจีสเตอร์ ADCL (8 บิตต่ำ) และ ADCH (8 บิตสูง) <span style="color: red;">เพื่อให้การอ่านค่าเป็นไปได้อย่างถูกต้องตามกลไกของไมโครคอนโทรลเลอร์ ค่าในรีจีสเตอร์ ADCL ต้องถูกอ่านออกมาก่อน ADCH</span>
+ค่าที่ได้จากการแปลงจะเป็นตามสูตร
+:<math>ADC = \frac{V_{IN} \cdot 1024}{V_{REF}}</math>
+โดย <math>V_{IN}</math> คือแรงดันที่ขาแอนะล็อกอินพุทที่ถูกเลือก ส่วน <math>V_{REF}</math> คือแรงดันอ้างอิง ซึ่งเราสามารถเลือกแหล่งแรงดันได้โดยการตั้งค่าที่บิต 6 และ 7 ของรีจีสเตอร์ ADMUX ตัวอย่างฟังก์ชันด้านล่างมีการตั้งแหล่งแรงดันอ้างอิงให้เป็นแรงดันที่ขา AREF ซึ่งต่อเข้ากับ VCC จึงมีแรงดันเท่ากับ 5 โวลท์
+== ฟังก์ชันอ่านสัญญาณแอนะล็อก ==
+เพื่อความสะดวก เราจะสร้างฟังก์ชัน <code>read_adc</code> ขึ้นมาจากกระบวนการข้างต้น ฟังก์ชันนี้รับพารามิเตอร์เป็นหมายเลขขาของพอร์ท C จากนั้นจึงคืนค่าสัญญาณแอนะล็อกที่อ่านได้และแปลงเป็นข้อมูลดิจิทัล 10 บิตเรียบร้อยแล้วกลับออกมา
+<syntaxhighlight lang="C">
+uint16_t read_adc(uint8_t channel)
+{
+    ADMUX = (0<<REFS1)|(1<<REFS0) // ระบุให้ใช้ VCC เป็นแรงดันอ้างอิง (Vref) และ
+          | (0<<ADLAR)            // บันทึกผลลัพธ์ชิดขวาในคู่รีจีสเตอร์ ADCH/ADCL
+          | (channel & 0b1111);   // ตั้งค่า MUX เป็นค่า channel
+    ADCSRA = (1<<ADEN)            // เปิดวงจร ADC
+           | (1<<ADPS2)|(1<<ADPS1)|(1<<ADPS0) // ใช้ความเร็ว 1/128 ของคล็อกระบบ
+           | (1<<ADSC);           // สั่งวงจร ADC ให้เริ่มต้นการแปลง
+    while ((ADCSRA & (1<<ADSC)))  // รอจนบิต ADSC กลายเป็น 0 ซึ่งหมายถึงการแปลงเสร็จสิ้น
+       ;
+    return ADCL + ADCH*256;  // ผลลัพธ์ถูกเก็บอยู่ในรีจีสเตอร์ ADCL และ ADCH
+    // สามารถใช้ return ADC ได้เช่นกัน
+}
+</syntaxhighlight>
 == บทความที่เกี่ยวข้อง ==

ผลต่างระหว่างรุ่นของ "การวัดสัญญาณแอนะล็อกด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์"

รุ่นแก้ไขปัจจุบันเมื่อ 17:59, 12 กุมภาพันธ์ 2563

เนื้อหา

สัญญาณแอนะล็อกและการบันทึกค่า

วงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นดิจิทัล 10 บิตของ ATMega168

ฟังก์ชันอ่านสัญญาณแอนะล็อก

บทความที่เกี่ยวข้อง

รายการเลือกการนำทาง

เครื่องมือส่วนตัว

เนมสเปซ

สิ่งที่แตกต่าง

ดู

เพิ่มเติม

ค้นหา

การนำทาง

เครื่องมือ