ผลต่างระหว่างรุ่นของ "การวัดสัญญาณแอนะล็อกด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์"
(buoYIsrblrC) |
Jittat (คุย | มีส่วนร่วม) (ย้อนการแก้ไขรุ่น 12635 โดย 109.230.216.225 (พูดคุย)) |
||
แถว 1: | แถว 1: | ||
− | + | == 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: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"/> | ||
+ | |||
+ | 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 | ||
+ | |||
+ | [[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) | ||
+ | |||
+ | 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 | ||
+ | |||
+ | ฟังก์ชันนี้ถือว่าพารามิเตอร์ <code>channel</code> มีค่าไม่เกิน 4 บิต (0-15) จึงนำไป or เข้ากับรีจีสเตอร์ ADMUX โดยตรง หากมีการส่งค่ามาใน <code>channel</code> มากกว่านี้อาจมีผลกระทบกับบิตอื่น ๆ ของรีจีสเตอร์ ADMUX ซึ่งทำให้กระบวนการทำงานของวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกผิดพลาดไปได้ | ||
+ | |||
+ | 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 (บิต ADSC) | ||
+ | // | | ||
+ | // +-> Enable ADC (บิต ADEN) | ||
+ | |||
+ | while ((ADCSRA & (1<<ADSC))) // รอจนบิต ADSC (บิต 6) กลายเป็น 0 | ||
+ | ; | ||
+ | return ADCL + ADCH*256; // ผลลัพธ์ถูกเก็บอยู่ในรีจีสเตอร์ ADCL และ ADCH | ||
+ | } | ||
+ | |||
+ | == บทความที่เกี่ยวข้อง == | ||
+ | * [[การบัดกรีแผงวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์ ]] | ||
+ | * [[การพัฒนาเฟิร์มแวร์สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์]] | ||
+ | * [[แผงวงจรพ่วง (Peripheral Board)]] |
รุ่นแก้ไขเมื่อ 10:23, 8 มิถุนายน 2555
เนื้อหา
สัญญาณแอนะล็อกและการบันทึกค่า
ข้อมูลที่อ่านจากสภาพแวดล้อมบ่อยครั้งมักจะอยู่ในรูปข้อมูลต่อเนื่อง (continuous data) หรือข้อมูลแอนะล็อก (analog data) ตัวอย่างข้อมูลลักษณะนี้ในชีวิตประจำวันได้แค่อุณหภูมิ ความสว่างของห้อง ความเร็วรถยนต์ น้ำหนัก ส่วนสูง ฯลฯ เมื่อข้อมูลนี้ถูกเปลี่ยนให้เป็นรูปสัญญาณ (เช่นแรงดันไฟฟ้า) เพื่อให้สามารถอ่านและประมวลผลได้โดยวงจรอิเล็คทรอนิคส์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ จะถูกเรียกว่าเป็น สัญญาณแอนะล็อก (analog signal) ดังแสดงในรูปด้านข้าง
อย่างไรก็ตาม หากเรานำเอาสัญญาณเหล่านี้ป้อนให้กับขาดิจิทัลอินพุทของไมโครคอนโทรลเลอร์ ตัวสัญญาณจะถูกตีความเป็นสองระดับ คือลอจิก 0 หรือ 1 เท่านั้น นั่นหมายถึงถ้าสัญญาณมีค่าแรงดันสูงกว่าค่าหนึ่ง ไมโครคอนโทรลเลอร์จะตีความอินพุทเป็นลอจิก 1 และหากสัญญาณมีแรงดันต่ำกว่านั้นก็จะถูกตีความเป็นลอจิก 0 ดังแสดงในตัวอย่าง
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)
ค่าที่ได้จากการแปลงจะเป็นตามสูตร
โดย คือแรงดันที่ขาแอนะล็อกอินพุทที่ถูกเลือก ส่วน 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
ฟังก์ชันนี้ถือว่าพารามิเตอร์ channel
มีค่าไม่เกิน 4 บิต (0-15) จึงนำไป or เข้ากับรีจีสเตอร์ ADMUX โดยตรง หากมีการส่งค่ามาใน channel
มากกว่านี้อาจมีผลกระทบกับบิตอื่น ๆ ของรีจีสเตอร์ ADMUX ซึ่งทำให้กระบวนการทำงานของวงจรแปลงสัญญาณแอนะล็อกผิดพลาดไปได้
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 (บิต ADSC) // | // +-> Enable ADC (บิต ADEN) while ((ADCSRA & (1<<ADSC))) // รอจนบิต ADSC (บิต 6) กลายเป็น 0 ; return ADCL + ADCH*256; // ผลลัพธ์ถูกเก็บอยู่ในรีจีสเตอร์ ADCL และ ADCH }