อ่านแรงดันอนาล็อกด้วย SAR ADC 12 บิต

หลักสูตร: TESAIoT Firmware Stack: เฟิร์มแวร์ภาษา C บน TESAIoT Dev Kit · ฮาร์ดแวร์บนบอร์ดฐาน QWA309
ระดับ: L3 ทำได้เอง
เวลาโดยประมาณ: 70 นาที (แนวคิด 10 · ฝึก 25 · แล็บ 30 · เช็กความเข้าใจ 5)
อุปกรณ์: Dev Kit
ทักษะที่ฝึก: ADC และ DAC ถึง L2
การออกแบบ HMI และแดชบอร์ด ถึง L2
ควรเรียนก่อน: เครื่องมือ บอร์ด และ master template
สถานะ: ทดลองใช้ (alpha)

เป้าหมาย

อ่าน potentiometer 4 ตัวผ่าน SAR ADC 12 บิต และแปลงเป็นแรงดันและเปอร์เซ็นต์
แสดงค่าเป็นกราฟเลื่อนแบบ oscilloscope และอธิบายความละเอียดของ ADC

แนวคิด

บอร์ดฐาน QWA309 มีอะไรให้ฝึก

บอร์ดฐาน QWA309 ของ TESAIoT Dev Kit มีอุปกรณ์จริงให้ฝึก ได้แก่ ปุ่มกด potentiometer 4 ตัว CAN transceiver และ header สำหรับต่ออุปกรณ์ภายนอก บทเรียนนี้ใช้แบบฝึกของ Developer Hub ที่เขียนไว้สำหรับบอร์ดนี้โดยตรง สองแบบฝึกในบทเรียนนี้อ่าน potentiometer ทั้ง 4 ตัวเหมือนกัน (VR1–VR4 ที่ P15.4–P15.7) แต่แสดงผลต่างรูปแบบ: แบบแรกเป็นแผงตัวเลข+บาร์ แบบที่สองเป็นกราฟเลื่อนแบบออสซิลโลสโคป

SAR ADC 12 บิตคืออะไร และตัวเลขหมายถึงอะไร

AUTANALOG SAR ADC เป็นตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัลแบบ successive-approximation ในตัวชิป PSoC Edge อ่านค่าออกมาเป็นเลขจำนวนเต็ม 12 บิต คือ 0–4095 (POT_ADC_FULL_SCALE = 4095) เทียบกับแรงดันอ้างอิง (POT_ADC_VREF_MV = 1800) คือ 1.8 V ไม่ใช่ 3.3 V ความละเอียดจึงอยู่ที่ 1800 mV ÷ 4095 ขั้น ≈ 0.44 mV ต่อหนึ่งขั้น ตัวเลขนี้ละเอียดกว่าความละเอียดที่ 3.3 V (≈ 0.81 mV) เพราะช่วงแรงดันที่ต้องแบ่งแคบกว่า แต่ความละเอียดสูงไม่ได้แปลว่าค่าจะนิ่ง — noise ของแหล่งจ่ายและแรงดันอ้างอิงเพียงไม่กี่ mV ก็มากกว่า 0.44 mV ต่อขั้นแล้ว จึงเห็นค่า raw กระเพื่อมขึ้นลง 1–3 ขั้นได้แม้ไม่ได้หมุน pot

เริ่มต้น ADC ด้วยโค้ดของ UI module เอง ไม่พึ่ง framework

ต่างจากบัส I2C ที่ master template เปิดไว้ให้แล้ว (ดูบทเรียน 1.1) การอ่าน potentiometer ต้อง init SAR ADC เองทั้งหมด pot_adc_init() ตั้งขาทั้ง 4 (P15.4–P15.7) เป็นโหมด CY_GPIO_DM_ANALOG ด้วย Cy_GPIO_Pin_FastInit() ก่อน แล้วเรียก Cy_AutAnalog_Init(&autonomous_analog_init) โดยใช้ config autonomous_analog_init ที่ BSP สร้างไว้ให้ ตามด้วย Cy_AutAnalog_Enable() และ Cy_AutAnalog_StartAutonomousControl() เพื่อให้ ADC เริ่มแปลงค่าแบบต่อเนื่องในพื้นหลัง ถ้า Cy_AutAnalog_Init() ไม่สำเร็จ (CY_AUTANALOG_SUCCESS ไม่ตรง) ทั้งสองตัวอย่างจะไม่สร้าง timer อ่านค่า และขึ้นข้อความ “ADC init failed” บนจอแทน

แปลงค่าดิบเป็นแรงดันและเปอร์เซ็นต์ด้วยเลขจำนวนเต็ม

update_channel() ของ Pot Monitor อ่านผลลัพธ์ด้วย Cy_AutAnalog_SAR_ReadResult(POT_ADC_INDEX, CY_AUTANALOG_SAR_INPUT_GPIO, channel->adc_channel) แล้วมาสก์บิตด้วย 0x0FFFU เผื่อบิตอื่นติดมา จากนั้นแปลงด้วยเลขจำนวนเต็มล้วน (ไม่ใช้ float): millivolts = raw * 1800 / 4095 และ percent_tenths = raw * 1000 / 4095 (ได้หน่วยเป็นสิบเท่าของเปอร์เซ็นต์ เพื่อพิมพ์ทศนิยมหนึ่งตำแหน่งโดยไม่ใช้ float) ตัวอย่าง: raw = 2048 → 2048×1800/4095 = 900 mV (0.900 V) และ 2048×1000/4095 = 500 (50.0%) การหารแบบจำนวนเต็มปัดเศษทิ้งเสมอ (truncate) ไม่ปัดขึ้น

สถานะ “Live” กับ “ADC settling” บอกอะไร — และไม่บอกอะไร

pot_timer_cb() ตรวจ Cy_AutAnalog_SAR_GetHSchanResultStatus(POT_ADC_INDEX) เทียบกับ POT_ADC_READY_MASK (รวมมาสก์ของช่อง GPIO0–GPIO3 ทั้งสี่) ถ้าบิตพร้อมครบทั้งสี่ช่องจะขึ้น “Live” สีเขียวมิ้นต์ ถ้ายังไม่ครบขึ้น “ADC settling” สีเหลือง ข้อควรสังเกตคือฟังก์ชันนี้เรียก update_channel() อ่านและแสดงค่าทั้ง 4 ช่องไปแล้วในลูปก่อนหน้า โดยไม่รอสถานะนี้ก่อน สถานะ “Live/settling” จึงเป็นแค่ป้ายบอกว่าฮาร์ดแวร์ conversion ครบรอบหรือยัง ไม่ใช่ตัวคุมว่าจะอัปเดตตัวเลขบนจอหรือไม่

กราฟเลื่อนแบบออสซิลโลสโคป: จำนวนจุด × คาบสุ่ม = ความยาวหน้าต่างเวลา

ADC Scope แปลงค่าดิบเป็นเปอร์เซ็นต์แบบง่ายกว่า Pot Monitor คือ pct = raw * 100 / SCOPE_FULL_SCALE (จำนวนเต็ม 0–100 ไม่มีทศนิยม) แล้วส่งเข้ากราฟด้วย lv_chart_set_next_value() บน lv_chart ที่ตั้ง lv_chart_set_update_mode(s_chart, LV_CHART_UPDATE_MODE_SHIFT) — โหมดนี้เลื่อนจุดเก่าออกทางซ้ายทีละจุดเมื่อจุดใหม่เข้ามาทางขวา กราฟมี SCOPE_POINTS = 100 จุด อ่านทุก SCOPE_PERIOD_MS = 60 ms ความยาวหน้าต่างเวลาที่มองเห็นบนกราฟจึงเท่ากับจำนวนจุดคูณคาบสุ่ม คือ 100 × 60 ms = 6 วินาที ถ้าลดคาบเหลือ 30 ms จำนวนจุดเท่าเดิมจะครอบคลุมแค่ 3 วินาที เห็นรายละเอียดเวลาเพิ่มขึ้นแต่เห็นประวัติสั้นลง

ชื่อช่อง VR1–VR4 ไม่ได้ผูกกับ index เดียวกันเสมอ

Pot Monitor กำหนด pot_channels[] ให้ VR1 = ช่อง index 1 (P15.5) และ VR2 = ช่อง index 0 (P15.4) — สลับกับลำดับที่คาดตามธรรมชาติ ส่วน ADC Scope กำหนด s_ch[] = {0, 1, 2, 3} กับชื่อ s_name[] = {"VR1","VR2","VR3","VR4"} ตามลำดับ index ตรงตัว ผลคือหมุน pot ที่ขา P15.4 ตัวเดียวกัน จะเห็นการ์ด VR2 ขยับใน Pot Monitor แต่เห็นเส้น VR1 ขยับใน ADC Scope ทั้งที่เป็น SAR channel index 0 ตัวเดียวกัน ชื่อที่ผู้ใช้เห็นบนจอ ขาจริงบนบอร์ด และ index ผลลัพธ์ในโค้ด เป็นสามสิ่งที่ต้องตรวจให้ตรงกันเองเสมอ ไม่ควรเชื่อชื่อบนจอของตัวอย่างหนึ่งไปเทียบกับอีกตัวอย่างหนึ่งตรง ๆ

ตัวอย่างสมบูรณ์

แบบฝึกชุด QWA309 ของ Developer Hub (อ้างอิงที่ commit e5c7722) รันบน TESAIoT Dev Kit เท่านั้น เพราะใช้อุปกรณ์บนบอร์ดฐาน

QWA309 — Potentiometer Monitor — อ่าน 4 potentiometers (P15.4–P15.7) ผ่าน AUTANALOG SAR ADC 12-bit (Vref 1.8V) แสดงเป็น bar + แรงดัน + เปอร์เซ็นต์ real-time — practise แรกที่ใช้ ADC จริงบน TESAIoT Dev Kit README · โค้ด · Developer Hub
QWA309 — 4-Channel ADC Scope — plot ค่า pot 4 ตัว (P15.4-7, SAR 12-bit) เป็นเส้น scrolling บน LVGL chart 0-100% — analog oscilloscope README · โค้ด · Developer Hub

โค้ดตัวอย่างด้านล่างคัดลอกจากไฟล์จริงที่ commit เดียวกัน (Apache-2.0, tesaiot/developer-hub)

pot_monitor_ui.c — ตั้งขาเป็น analog input แล้วเริ่ม AUTANALOG SAR ADC:

static bool pot_adc_init(void)
{
    uint32_t init_status;

    pot_adc_init_pin(P15_4_PORT, P15_4_PIN);
    pot_adc_init_pin(P15_5_PORT, P15_5_PIN);
    pot_adc_init_pin(P15_6_PORT, P15_6_PIN);
    pot_adc_init_pin(P15_7_PORT, P15_7_PIN);

    init_status = Cy_AutAnalog_Init(&autonomous_analog_init);
    if (CY_AUTANALOG_SUCCESS != init_status)
    {
        return false;
    }

    Cy_AutAnalog_Enable();
    Cy_AutAnalog_StartAutonomousControl();

    return true;
}

pot_monitor_ui.c — แปลงค่าดิบเป็นแรงดันและเปอร์เซ็นต์ด้วยเลขจำนวนเต็ม:

raw = (uint16_t)Cy_AutAnalog_SAR_ReadResult(POT_ADC_INDEX,
                                            CY_AUTANALOG_SAR_INPUT_GPIO,
                                            channel->adc_channel);
raw &= 0x0FFFU;

millivolts = ((uint32_t)raw * POT_ADC_VREF_MV) / POT_ADC_FULL_SCALE;
percent_tenths = ((uint32_t)raw * 1000U) / POT_ADC_FULL_SCALE;
bar_value = ((uint32_t)raw * 1000U) / POT_ADC_FULL_SCALE;

pot_monitor_ui.c — การแมป VR1/VR2 สลับกับลำดับ index ที่คาดไว้:

static pot_channel_t pot_channels[POT_COUNT] =
{
    { "VR1", "P15.5  ADC5", 1U, 0x14B8A6, NULL, NULL, NULL, NULL },
    { "VR2", "P15.4  ADC4", 0U, 0x22C55E, NULL, NULL, NULL, NULL },
    { "VR3", "P15.6  ADC6", 2U, 0xF59E0B, NULL, NULL, NULL, NULL },
    { "VR4", "P15.7  ADC7", 3U, 0xF43F5E, NULL, NULL, NULL, NULL },
};

adc_scope_ui.c — อ่านทุกช่องแล้วส่งเข้ากราฟเลื่อนแบบ SHIFT:

static void scope_timer_cb(lv_timer_t *timer)
{
    (void)timer;
    if (!s_adc_ok) { return; }
    for (uint8_t i = 0U; i < SCOPE_CH; i++) {
        uint16_t raw = (uint16_t)Cy_AutAnalog_SAR_ReadResult(SCOPE_ADC_INDEX,
                          CY_AUTANALOG_SAR_INPUT_GPIO, s_ch[i]) & 0x0FFFU;
        uint32_t pct = ((uint32_t)raw * 100U) / SCOPE_FULL_SCALE;
        lv_chart_set_next_value(s_chart, s_series[i], (int32_t)pct);
        lv_label_set_text_fmt(s_val[i], "%s %lu%%", s_name[i], (unsigned long)pct);
    }
}

จุดที่มักพลาด

คิดว่าแรงดันอ้างอิงคือ 3.3 V — SAR ADC ในตัวอย่างนี้ใช้ POT_ADC_VREF_MV = 1800 (1.8 V) ถ้าคิดผิดเป็น 3.3 V การแปลงค่าดิบเป็นแรงดันจะผิดทั้งหมด
เข้าใจว่าค่าที่แกว่ง 1–3 ขั้นเป็นความเสียหายของ ADC — ที่ความละเอียด ≈0.44 mV/ขั้น สัญญาณรบกวนเพียงไม่กี่ mV ก็ทำให้ค่ากระเพื่อมได้ตามปกติ ลดได้ด้วยการเฉลี่ยหลายตัวอย่าง (moving average) ไม่ใช่อาการเสีย
เทียบชื่อช่อง VR1–VR4 ข้ามตัวอย่างโดยไม่ดู index จริง — Pot Monitor กับ ADC Scope แมปชื่อกับ SAR index ไม่ตรงกัน (VR1/VR2 สลับกัน) ต้องดู pot_channels[]/s_ch[] ในโค้ดหรือ schematic ของบอร์ดเสมอ
รอสถานะ “Live” ก่อนเชื่อค่าบนจอ — ป้าย Live/ADC settling เป็นแค่ตัวบอกว่า hardware conversion ครบรอบหรือยัง โค้ดอัปเดตตัวเลขบนจอทุกรอบอยู่แล้วไม่ว่าป้ายจะขึ้นว่าอะไร

build และ flash

# ในโฟลเดอร์ master template (ดูบทเรียน 1.1)
# 1) ลบไฟล์ของ episode เก่าใน proj_cm55/apps/
# 2) คัดลอกไฟล์ทั้งหมดของ episode นี้ลงใน proj_cm55/apps/
make build
make program     # flash ผ่าน KitProg3

ลองแก้

ทาย ก่อนแก้: เลือกค่าหนึ่งค่าที่ README ของตัวอย่างอธิบายไว้ในส่วน How แล้วเขียนว่าจะเห็นอะไรเปลี่ยนบนจอหรือใน log
แก้และรัน build + flash แล้วเทียบกับที่ทายไว้ ถ้าไม่ตรง ให้หาว่าเข้าใจส่วนไหนผิด
ทำเพิ่ม ต่อยอดหนึ่งอย่างที่ตัวอย่างยังไม่มี แล้วเก็บภาพหรือวิดีโอไว้ใน portfolio

เช็กความเข้าใจ

ADC 12 บิต ที่ Vref 1.8 V แยกแรงดันได้ละเอียดกี่มิลลิโวลต์ต่อขั้น
ทำไมค่าที่อ่านได้กระโดดเล็กน้อยแม้ไม่ได้หมุน pot

คำตอบอยู่ใน README ของตัวอย่างและในโค้ด ถ้าตอบข้อใดไม่ได้ ให้กลับไปอ่านส่วน Why / What / How อีกครั้ง

แหล่งอ้างอิง

แบบฝึกทั้งหมดของ TESAIoT Dev Kit · commit e5c7722
โค้ดเป็นของ Developer Hub และอ้างอิงด้วยลิงก์ ไม่ได้คัดลอกเข้าคลังนี้

คำถามทบทวน

ลองตอบเองก่อน แล้วค่อยเปิดดูเฉลย

ค่าดิบจาก ADC เป็น 2048 Pot Monitor จะแสดงแรงดันและเปอร์เซ็นต์ใด (เป้าหมายข้อ 1)
1. 1.650 V · 50.0 %
2. 0.900 V · 50.0 %
3. 0.900 V · 25.0 %
4. 2.048 V · 50.0 %
ดูเฉลย

คำตอบ: B. 0.900 V · 50.0 %

update_channel() ใช้ millivolts = raw × 1800 / 4095 = 900 (หารแบบจำนวนเต็ม) และ percent_tenths = raw × 1000 / 4095 = 500 จึงแสดง 0.900 V และ 50.0 % แรงดันอ้างอิงคือ 1.8 V ไม่ใช่ 3.3 V
ADC 12 บิตที่แรงดันอ้างอิง 1.8 V แยกแรงดันได้ละเอียดราวกี่มิลลิโวลต์ต่อหนึ่งขั้น (เป้าหมายข้อ 2)
1. 0.81 mV
2. 1.76 mV
3. 7.0 mV
4. 0.44 mV
ดูเฉลย

คำตอบ: D. 0.44 mV

1800 mV / 4095 ≈ 0.44 mV ต่อขั้น ตัวเลือกอื่นคือความละเอียดเมื่อใช้ 3.3 V (≈ 0.81 mV) ADC 10 บิต (≈ 1.76 mV) และ 8 บิต (≈ 7 mV) ที่ 1.8 V ความละเอียดสูงไม่ได้แปลว่าค่าจะนิ่ง เพราะ noise เพียงไม่กี่ mV ก็ขยับค่าหลายขั้นแล้ว
ไม่ได้หมุน pot แต่ค่า raw ขยับขึ้นลงหนึ่งถึงสามขั้นตลอด ข้อใดอธิบายได้ถูกต้อง (เป้าหมายข้อ 2)
1. เป็นเรื่องปกติ: noise ของแหล่งจ่าย แรงดันอ้างอิง และ quantization เพียงไม่กี่ mV ก็มากกว่า 0.44 mV ต่อขั้น ลดได้ด้วยการเฉลี่ยหลายตัวอย่าง
2. ADC เสีย
3. เพราะ lv_timer ทำงานไม่ตรงเวลา
4. เพราะหน้าจอรบกวน ADC ต้องปิดจอ
ดูเฉลย

คำตอบ: A. เป็นเรื่องปกติ: noise ของแหล่งจ่าย แรงดันอ้างอิง และ quantization เพียงไม่กี่ mV ก็มากกว่า 0.44 mV ต่อขั้น ลดได้ด้วยการเฉลี่ยหลายตัวอย่าง

README ของ Pot Monitor แนะนำให้เพิ่ม moving average ใน update_channel() เพื่อลด noise ของค่า raw การแกว่ง 1–3 ขั้นคือไม่ถึง 1.5 mV ถือว่าเล็กมากสำหรับงานอ่าน pot
ADC Scope อ่านทุก SCOPE_PERIOD_MS = 60 และกราฟมี SCOPE_POINTS = 100 จุด ถ้าเปลี่ยนคาบเวลาเป็น 30 ms หน้าต่างเวลาบนกราฟจะยาวเท่าไร (เป้าหมายข้อ 2)
1. 6 วินาที
2. 12 วินาที
3. 3 วินาที
4. 1.5 วินาที
ดูเฉลย

คำตอบ: C. 3 วินาที

LV_CHART_UPDATE_MODE_SHIFT เลื่อนจุดเก่าออกทีละจุด หน้าต่างเวลา = จำนวนจุด × คาบเวลา เดิม 100 × 60 ms = 6 วินาที เป็น 100 × 30 ms = 3 วินาที เห็นรายละเอียดทางเวลามากขึ้นแต่เห็นประวัติสั้นลง
หมุน pot ที่ขา P15.4 แล้ว Pot Monitor แสดงการเปลี่ยนที่การ์ด VR2 แต่ ADC Scope แสดงที่เส้น VR1 เกิดจากอะไร (เป้าหมายข้อ 1)
1. สายต่อหลวม
2. ชื่อบนจอเป็นแค่การแมปในซอฟต์แวร์: Pot Monitor แมป VR2 → result index 0 (P15.4) ส่วน ADC Scope แมป VR1 → index 0 สองตัวอย่างจึงตั้งชื่อช่องเดียวกันไม่ตรงกัน ต้องเทียบกับ schematic ของบอร์ด
3. ADC สลับช่องเองตามลำดับการอ่าน
4. สองตัวอย่างใช้ ADC คนละตัว
ดูเฉลย

คำตอบ: B. ชื่อบนจอเป็นแค่การแมปในซอฟต์แวร์: Pot Monitor แมป VR2 → result index 0 (P15.4) ส่วน ADC Scope แมป VR1 → index 0 สองตัวอย่างจึงตั้งชื่อช่องเดียวกันไม่ตรงกัน ต้องเทียบกับ schematic ของบอร์ด

pot_channels[] ใน Pot Monitor กำหนด VR1 = P15.5 (index 1) และ VR2 = P15.4 (index 0) ส่วน ADC Scope ใช้ s_ch[] = {0, 1, 2, 3} กับชื่อ VR1–VR4 ตามลำดับ ทั้งคู่อ่าน SAR index 0 ตัวเดียวกัน ชื่อที่ผู้ใช้เห็น ขาจริง และ index ของผลลัพธ์ เป็นสามสิ่งที่ต้องตรวจให้ตรงกันเอง

อ้างอิงบทเรียนนี้

ถ้านำบทเรียนนี้ไปสอน ทำสไลด์ หรือทำเอกสารต่อ ให้อ้างอิงด้วยข้อความนี้ ถ้าดัดแปลงเนื้อหา ให้เติม (ดัดแปลง)ต่อท้ายชื่อบทเรียน

"อ่านแรงดันอนาล็อกด้วย SAR ADC 12 บิต" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

ข้อความอ้างอิงภาษาอังกฤษ: "Analog voltages with the 12-bit SAR ADC" from TESA Open Knowledge by the Thai Embedded Systems Association (TESA), https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program, licensed under CC BY-NC 4.0

ลิงก์บทเรียน: https://tesaiot.github.io/tesa-qualification-program/courses/tesaiot-firmware-stack/m04-qwa309-hardware/l02-analog-and-adc/

บทเรียนนี้ดัดแปลงจากต้นฉบับด้านล่าง เมื่ออ้างอิงให้คงเครดิตต้นฉบับไว้ด้วย
https://github.com/tesaiot/developer-hub/blob/e5c772252e7d20f715463e0d27df9ece4e569c38/prac_qwa309_pot_monitor · Code stays in the Developer Hub and is linked at pinned commits, never copied: the episodes, practice codes and main-branch examples are Apache-2.0; the master template and the OPTIGA client carry Infineon/Cypress EULAs.

วิธีอ้างอิง TESA ฉบับเต็ม

เนื้อหาเผยแพร่ภายใต้ CC BY-NC 4.0 นำไปใช้ต่อในงานที่ไม่ใช่เพื่อการค้าได้ โปรดอ้างอิงสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (TESA) ทุกครั้ง · วิธีอ้างอิง TESA