【雕爷学编程】MicroPython手册之 SAMD21 ADC（模数转换）

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

总体来说,MicroPython让Python进入了微控制器领域，是一项重要的创新，既降低了编程门槛，又提供了良好的硬件控制能力。非常适合各类物联网和智能硬件的开发。

SAMD21是一系列使用32位ARM® Cortex®-M0+处理器的低功耗微控制器，由Microchip Technology公司开发。SAMD21的技术参数如下：

1、处理器：32位ARM® Cortex®-M0+，最高工作频率为48MHz，每兆赫兹可达2.46 Coremark。
2、存储器：闪存容量从32KB到256KB不等，SRAM容量从4KB到32KB不等。
3、电源管理：支持多种低功耗模式，如空闲和待机模式，最低功耗为3.5μA/MHz。
4、外设：拥有丰富的智能和灵活的外设，如直接内存访问控制器（DMAC）、事件系统、定时器/计数器（TC/TCC）、实时时钟（RTC）、看门狗定时器（WDT）、CRC-32生成器、通用串行总线（USB）2.0接口、串行通信接口（SERCOM）、Inter-IC Sound（I2S）接口、模数转换器（ADC/DAC）、模拟比较器（AC）和外设触摸控制器（PTC）。
5、封装：支持多种封装形式，从32引脚到64引脚不等，包括TQFP、QFN、UFBGA和WLCSP。
6、标准：符合AEC-Q100 Grade 1的汽车级标准，工作温度范围为-40°C到+125°C。

MicroPython的SAMD21 ADC（模数转换）是指在MicroPython环境中使用SAMD21微控制器进行模数转换的功能。

主要特点：

高精度：SAMD21 ADC提供高精度的模数转换能力，通常支持12位或更高位的分辨率。这使得它能够准确地将模拟电压转换为数字数值，满足对精度要求较高的应用。
多通道支持：SAMD21 ADC通常支持多个模拟输入通道，可以同时进行多通道的模数转换。这使得它可以适应需要同时采集多个模拟信号的应用场景。
可配置的采样速率：SAMD21 ADC的采样速率可根据需求进行配置。开发者可以根据应用需求选择合适的采样速率，平衡采样精度和系统资源消耗之间的关系。
中断和DMA支持：SAMD21 ADC通常支持中断和DMA（直接内存访问）功能，可以在转换完成后触发中断或直接将转换结果存储到内存中，提高系统的响应速度和效率。

应用场景：

传感器数据采集：SAMD21 ADC广泛应用于传感器数据采集领域。通过将传感器的模拟输出连接到ADC的模拟输入引脚，可以将模拟信号转换为数字数值，进而进行数据处理和分析。
电池电压监测：使用SAMD21 ADC可以对电池电压进行模数转换，实时监测电池的电压水平。这在电池供电设备中特别有用，可以及时了解电池的状态并进行相应的操作。
音频采集：SAMD21 ADC也可用于音频信号的采集。通过连接麦克风或音频输入设备到ADC的模拟输入引脚，可以将模拟音频信号转换为数字数据，用于音频处理和分析。

注意事项：

引脚选择：在使用SAMD21 ADC时，需要选择合适的引脚用于模拟输入。确保所选引脚与硬件电路的连接正确，并符合引脚的功能和电压范围要求。
参考电压设置：SAMD21 ADC通常需要设置参考电压，以确定模拟输入电压的量程范围。在使用ADC之前，需要根据具体应用需求正确设置参考电压。
采样速率和精度的权衡：选择采样速率和精度时，需要权衡系统要求、资源消耗和转换速度之间的关系。较高的采样速率和精度可能会增加系统资源的消耗。

综上所述，MicroPython的SAMD21 ADC通过SAMD21微控制器和MicroPython语言的支持，提供了高精度的模数转换能力。适用于传感器数据采集、电池电压监测、音频采集等应用场景。在使用ADC时，需要注意合适的引脚选择、参考电压设置以及采样速率和精度的权衡，以确保模数转换的准确性和系统的性能。

以下是几个实际运用程序参考代码案例，分别演示了如何使用MicroPython的SAMD21 ADC功能进行模数转换：

案例一：使用machine.ADC()创建ADC对象

import machine
adc = machine.ADC(0)  # 创建一个ADC对象，通道号为0

重点解读：这个程序使用machine.ADC()函数创建一个ADC对象，并指定通道号。在这个例子中，我们将通道号设置为0。

案例二：使用result = adc.read()读取ADC值

result = adc.read()  # 从ADC读取值
print("ADC的值为：", result)

重点解读：这个程序使用ADC对象的read()方法从ADC读取值，并将其打印出来。

案例三：使用adc.atten(machine.ADC.ATTN_11DB)设置ADC的衰减值

adc.atten(machine.ADC.ATTN_11DB)  # 设置ADC的衰减值为11dB

重点解读：这个程序使用ADC对象的atten()方法设置ADC的衰减值。在这个例子中，我们设置衰减值为11dB。

案例四：读取模拟输入电压

import machine  
adc = machine.ADC(0)  # 创建ADC对象，通道0  
while True:  # 读取通道0的模拟输入电压  reading = adc.read()  print(reading)  # 打印读取的电压值  utime.sleep(1)  # 延时1秒

要点解读：
通过machine.ADC()创建一个ADC对象，参数0表示使用通道0。
在一个无限循环中，通过adc.read()读取通道0的模拟输入电压，并将其值打印出来。
使用utime.sleep()函数进行延时，以便观察输出值变化。

案例五：读取模拟输入电压并转换为实际电压

import machine  
adc = machine.ADC(0)  # 创建ADC对象，通道0  
vcc = 3.3  # ADC参考电压（Vcc）  
while True:  # 读取通道0的模拟输入电压  reading = adc.read()  # 计算实际电压  voltage = reading * vcc / 256.0  print(voltage)  # 打印读取的实际电压值  utime.sleep(1)  # 延时1秒

要点解读：
在创建ADC对象后，我们通过adc.read()读取通道0的模拟输入电压。
然后通过公式实际电压 = ADC读取的电压值 * Vcc / 256将模拟电压转换为实际电压。这里我们将3.3V设为Vcc。
打印出计算得到的实际电压值。
使用utime.sleep()函数进行延时，以便观察输出值变化。

案例六：读取温度传感器电压（假设温度传感器连接在通道1）

import machine  
adc = machine.ADC(1)  # 创建ADC对象，通道1  
vcc = 3.3  # ADC参考电压（Vcc）  
while True:  # 读取通道1的模拟输入电压  reading = adc.read()  # 计算实际电压  voltage = reading * vcc / 256.0  # 计算温度（假设温度传感器输出电压与温度成线性关系，输出电压范围为0-1V）  temperature = (voltage - 0.5) * 100  # 每1mV对应1摄氏度  print(temperature)  # 打印读取的温度值  utime.sleep(1)  # 延时1秒

要点解读：
创建一个ADC对象，通道号为1，用于读取温度传感器的输出电压。
通过adc.read()读取通道1的模拟输入电压，然后通过公式实际电压 = ADC读取的电压值 * Vcc / 256将模拟电压转换为实际电压。
根据温度传感器的输出电压与温度的线性关系（假设输出电压范围为0-1V），通过公式温度 = (实际电压 - 0.5) * 100计算温度值。这里假设每1mV对应1摄氏度。
打印出计算得到的温度值。
使用utime.sleep()函数进行延时，以便观察输出值变化。

案例七：使用SAMD21的ADC读取光敏电阻的值

光敏电阻是一种可以根据光线强度改变电阻值的元件，它可以用来检测环境的亮度。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以读取PA02引脚上的光敏电阻的值，并打印出对应的数字值：

from machine import ADC, Pinadc = ADC(Pin('PA02')) # 创建ADC对象，使用PA02引脚
adc.atten(ADC.ATTN_11DB) # 设置衰减为11分贝，使得输入范围为0-3.6伏特while True:value = adc.read_u16() # 从ADC读取值，范围为0-65535print(value) # 打印值

要点解读：
ADC类可以用来创建一个模拟数字转换器（ADC）对象，它可以将模拟信号转换为数字信号。
ADC对象的read_u16方法可以用来从ADC读取一个整数值，范围为0-65535，对应于0-3.6伏特的模拟电压。
ADC对象的atten方法可以用来设置ADC的衰减系数，影响输入电压的范围。默认情况下，衰减系数为0分贝，输入范围为0-1伏特。

案例八：使用SAMD21的ADC读取电位器的值

电位器是一种可以根据旋转角度改变电阻值的元件，它可以用来调节电路中的电压或电流。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以读取PA03引脚上的电位器的值，并打印出对应的数字值：

from machine import ADC, Pinadc = ADC(Pin('PA03')) # 创建ADC对象，使用PA03引脚
adc.atten(ADC.ATTN_11DB) # 设置衰减为11分贝，使得输入范围为0-3.6伏特while True:value = adc.read_u16() # 从ADC读取值，范围为0-65535print(value) # 打印值

要点解读：
ADC类可以用来创建一个模拟数字转换器（ADC）对象，它可以将模拟信号转换为数字信号。
ADC对象的read_u16方法可以用来从ADC读取一个整数值，范围为0-65535，对应于0-3.6伏特的模拟电压。
ADC对象的atten方法可以用来设置ADC的衰减系数，影响输入电压的范围。默认情况下，衰减系数为0分贝，输入范围为0-1伏特。

案例九：使用SAMD21的ADC读取温度传感器LM35的值

LM35是一种常用的温度传感器，它可以输出与温度成正比的模拟电压。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以读取PA04引脚上的LM35的值，并打印出对应的温度：

from machine import ADC, Pinadc = ADC(Pin('PA04')) # 创建ADC对象，使用PA04引脚
adc.atten(ADC.ATTN_11DB) # 设置衰减为11分贝，使得输入范围为0-3.6伏特while True:value = adc.read_u16() # 从ADC读取值，范围为0-65535voltage = value * 3.6 / 65535 # 计算输入电压，单位为伏特temperature = voltage * 100 # 计算温度，单位为摄氏度print(temperature) # 打印温度

要点解读：
ADC类可以用来创建一个模拟数字转换器（ADC）对象，它可以将模拟信号转换为数字信号。
ADC对象的read_u16方法可以用来从ADC读取一个整数值，范围为0-65535，对应于0-3.6伏特的模拟电压。
ADC对象的atten方法可以用来设置ADC的衰减系数，影响输入电压的范围。默认情况下，衰减系数为0分贝，输入范围为0-1伏特。
LM35的输出电压与温度成正比，每摄氏度输出10毫伏。因此，可以通过乘以100来将电压转换为温度。

请注意，以上案例只是为了拓展思路，可能存在错误或不适用的情况。不同的硬件平台、使用场景和MicroPython版本可能会导致不同的使用方法。在实际编程中，您需要根据您的硬件配置和具体需求进行调整，并进行多次实际测试。确保正确连接硬件并了解所使用的传感器和设备的规范和特性非常重要。