ESP32 Pico-Board. ADC mit MCP ESP32 Addon. ADC- mit dem MCP3008. Vers. 1.0

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1 ESP32 Pico-Board ADC mit MCP ESP32 Addon ADC- mit dem MCP3008 Vers. 1.0 by Erik Bartmann, Juli 2018

2 ADC mit MCP3008 D er ESP32 bring von Hause aus schon eine Analog/Digital- Wandlung mit. Ich hatte es in meinem ESP32-Praxisbuch [1] in Hack 10 ab Seite 150 schon beschrieben. Dennoch kann es sinnvoll sein, einen externen Analog/Digital- Wandler, wie z.b. den MCP3008 [2] mit einer 10-Bit- Auflösung oder den MCP3208 mit einer 12-Bit-Auflösung zu verwenden. Die Gründe dafür können unterschiedlich sein. Viele kennen diese beiden Bausteine vielleicht vom Arduino- bzw. Raspberry Pi-Umfeld und wissen, wie sie zu handhaben sind. Die Programmierung kann aus den Arduino-Sketchen sehr einfach übernommen werden. Ich möchte in diesem Addon den MCP3008 zur Sprache bringen und einige Beispiele anführen. ADC mit MCP Seite 2

3 Die MCP3008-Library D er MCP3008 und auch der MCP3208 wird über den SPI-Bus betrieben bzw. angesteuert. Natürlich verfügt der ESP32 über einen derartigen Bus. Die hardwareseitigen Pins sind auf der folgenden Abbildung zu sehen. Sie befinden sich an IO 19, IO23, IO18 und IO05. Abbildung 1 Die IO-Pins des SPI-Bus (IO19, IO23, IO 18 und IO05) Zu Nutzung des MCP3008 über den SPI-Bus kann eine fertige MCP3008-Library [3] genutzt werden, die von Adafruit zur Verfügung gestellt wird. Diese Library unterstützt die Verwendung aller IO-Pins, die nicht für den SPI-Busbetrieb vorgesehen sind. Nähere Hinweise sind aus den vorhandenen Beispielen der Library zu ersehen. In unserem Addon nutzen wir jedoch IO 19, IO23, IO18 und IO05. Der MCP3008 Kommen wir nun zum MCP3008. Es handelt sich um einen integrierten Schaltkreis, der in einem DIL-Gehäuse (Dual-In-Line) untergebracht ist und 16 Beinchen besitzt. Er übermittelt seine Messwerte über die sogenannte SPI-Schnittstelle. Diese Abkürzung steht für Serial Parallel Interface und ist ein von Motorola entwickeltes Bus-System, um zwischen integrierten Schaltkreisen mit möglichst wenigen Leitungen Daten auszutauschen. SPI bezeichnet nicht nur den Bus, sondern auch das Protokoll. Die Übertragung ist ein synchron-serielles Verfahren, wie es z.b. auch beim I 2 C (Inter- Interchanged Circuit) verwendet wird. Sehen wir uns dazu einmal das Prinzip an, wonach der SPI-Bus arbeitet. 3 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

4 Abbildung 2 Das Master-Slave-Prinzip des SPI-Busses Es existieren 4 Leitungen, die vom Master zum Slave oder auch mehreren Slaves führen. Dieser integrierte Baustein besitzt 8 unabhängig voneinander arbeitende Eingänge, die jeweils eine Auflösung von 10-Bits besitzen. Das ist schon eine Menge an Funktionalität, die so ein Baustein bereitstellt und das alles wird über 4 Leitungen gehandhabt. Ist ein Datentransfer nur in eine Richtung notwendig, kann die Kommunikation über 3 statt 4 Leitungen erfolgen. Wie aber funktioniert SPI? Damit eine Kommunikation zustande kommt, müssen Daten in beide Richtungen fließen. Also vom Master zum Slave und umgekehrt. Das alles erfolgt über zwei getrennte Leitungen. MOSI (Master-Out-Slave-In) MISO (Master-In-Slave-Out) Für jede Richtung wird eine einzige Leitung benötigt. Die Datenübertragung erfolgt zwischen den beiden Busteilnehmern - wie schon erwähnt - synchron und seriell. Da der Master der Hauptverantwortliche bei dieser Kommunikation ist, wird die MOSI- Signalleitung auch als Serial-Data-Out, kurz DO bezeichnet, wobei die MISO- Signalleitung im Gegensatz dazu als Serial-Data-In, kurz DI arbeitet. Nun können diese Signale nicht einfach so auf den Bus gelegt werden. Es fehlt eine Synchronisationsinstanz, damit alle wissen, wann welche Signale kommen bzw. wann sie zeitlich beginnen bzw. enden. Aus diesem Grund gibt es noch die SCLK-Leitung (Serial-Clock), die quasi den Schiebetakt vom Master zum Slave und umgekehrt vorgibt, vergleichbar mit dem Paukenschlag auf einer Galeere. Mit jedem Clock-Impuls wird ein Datenbit über die MOSI-Leitung vom Master zum Slave bzw. auf der MISO- Leitung vom Slave zum Master übertragen. Zu guter Letzt müssen noch die am Bus angeschlossenen Teilnehmer (Slave) ausgewählt werden, damit klar ist, zu wem eine Kommunikation aufgebaut werden soll. Wir nutzen in unserem Beispiel nur einen einzigen Slave. Dafür ist die CS-Leitung (Chip-Select), die auch in manchen Fällen SS- 4 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

5 Leitung (Slave-Select) genannt wird, verantwortlich. Sehen wir uns doch zunächst einmal den integrierten Baustein MCP3008 aus der Nähe an. Abbildung 3 Die Pinbelegung des Analog(Digital-Wandlers MCP3008 Der integrierte Schaltkreis ist schön symmetrisch aufgebaut, so dass sich die analogen Eingänge aus dieser Sicht allesamt auf der linken Seite befinden. Auf der rechten Seite müssen wir die Spannungsversorgung und die Steuerleitungen anschließen. Das ist aber absolut kein Hexenwerk. Schauen wir uns zunächst die Leitungen auf der rechten Seite des Bausteins an: VDD (Spannungsversorgung: 3.3V) VREF (Referenzspannung: 3.3V) AGND (Analoge Masse) (S)CLK (Clock) DOUT (Data-Out vom MCP3008) DIN (Data-In vom ESP32) CS (Chip-Select, LOW-Aktiv) DGND (Digitale Masse) Die eigentliche Kommunikation findet über die beiden Leitungen DOUT und DIN statt. Die analogen Eingänge befinden sich auf der linken Seite des Bausteins, wobei die einzelnen Pins die Bezeichnung CH0 bis CH7 besitzen. Es handelt sich um die 8 Kanäle des AD-Wandlers. Wie wir die Kanäle ansteuern, sehen wir gleich im Schaltplan. Der Pin VREF wurde bei uns mit 3.3V versehen, so dass die Eingangsspannung von 0V bis 3.3V schwanken darf. Die Frage, die sich uns sicherlich an dieser Stelle aufdrängt ist die Folgende: Wenn wir eine 10-Bit Auflösung haben, wie groß bzw. klein ist die Spannung pro Bit? Schauen wir zuerst einmal, wie viele unterschiedliche Bitkombinationen wir mit 10-Bits erreichen können. 5 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

6 Dies wird über die folgende Formel berechnet: Anzahl der Bits Anzahl der Bitkombinationen = 2 Anzahl der Bitkombinationen = 2 10 = Wenn wir jetzt die Referenzspannung von 3.3V durch diesen Wert dividieren, dann erhalten wir den Spannungswert pro Bit-Sprung. U = U REF = 3,3V = 0,003222V = 3,2mV In der folgenden Grafik habe ich das einmal versucht, grafisch darzustellen. Jedes, der einzelnen Unterteilungseinheiten entspricht einem Spannungswert von 3.22mV. Wenn wir nun die anliegende Spannung berechnen möchten, dann müssen wir lediglich den ermittelten Wert, der sich zwischen 0 und 1023 bewegen kann, mit 3.2mV multiplizieren. Hier ein kleines Beispiel dazu. Das Programm, das wir uns gleich anschauen werden, liefert z.b. einen Wert von 512 zurück, was bedeutet, dass wir folgenden Spannungswert am analogen Eingang anliegen haben: Berechnete Spannung = 512 3,22mV = 1,65V Und hey... das ist genau die Hälfte von UREF, denn 2-mal 1.65V entsprechen 3.3V. Warum? Ganz einfach: 512 ist auch genau die Hälfte von Doch nun haben wir erst einmal genug gerechnet. 6 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

7 Bevor wir uns der Programmierung widmen, werfen wir einen Blick auf den Schaltplan. Abbildung 4 Der Schaltplan zur Ansteuerung des MCP3008 Auf der rechten Seite sehen wir unseren A/D-Wandler MCP3008, der über die Spannungsversorgungs- als auch Kommunikationsleitungen mit dem ESP32 verbunden ist. Des Weiteren habe ich ein 10 KΩ Potentiometer mit dem Kanal 0 des Bausteins verbunden. Das Potentiometer arbeitet wie ein variabler Spannungsteiler, der in Abhängigkeit von der Schleiferposition zwischen den beiden Potentialen Masse bzw. VDD vermittelt und das Signal an den analogen Eingang legt. Ein einfacher Spannungsteiler wird wie folgt mit 2 Widerständen aufgebaut. Abbildung 5 Der Spannungsteiler 7 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

8 In Abhängigkeit des Widerstandsverhältnisses wird die Eingangsspannung U an den beiden Widerständen R1 und R2 aufgeteilt und liegt als Ausgangsspannung U2 am Widerstand R2 an. Die Ausgangsspannung berechnet sich wie folgt: U2 = R2 R1 + R2 U Ein Potentiometer kann als variabler Spannungsteiler angesehen werden, der die Widerstände R1 und R2 in Abhängigkeit der Schleiferposition verändert. Abbildung 6 Das Potentiometer als variabler Spannungsteiler Übertragen auf die festen Widerstände R1 bzw. R2 verhält sich das Potentiometer wie folgt. Abbildung 7 Die Widerstandsverhältnisse bei zwei Potentiometerstellungen Wir sehen, dass uns dieses Bauteil eine wunderbare Möglichkeit bietet, eine vorhandene Spannung in den gegebenen Grenzen zwischen Masse und VDD zu regeln. 8 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

9 Der ESP32-Code F ür einen ersten Test können wir den folgenden Sketch verwenden, der nicht weiter kompliziert ist und wie folgt ausschaut. #include <Adafruit_MCP3008.h> Adafruit_MCP3008 adc; void setup() { Serial.begin(9600); // Init Serial adc.begin(); // MCP3008 initialisieren } void loop() { Serial.println(adc.readADC(0)); delay(100); // Kurze Pause } Natürlich müssen wir vor der Verwendung ganz zu Beginn die Adafruit-MCP3008- Library einbinden. Im Anschluss erfolgt über die Zeile Adafruit_MCP3008 adc; eine Instanziierung des Adafruit_MCP3008-Objekts mit dem Namen adc. In der setup- Funktion werden die serielle Schnittstelle und das adc-objekt über die begin-methode initialisiert. Nun kann innerhalb der kontinuierlich aufgerufenen loop-funktion die readadc-methode mit der Angabe des verwendeten Kanals - bei uns CH0 - aufgerufen werden, um darüber den analogen Wert am Kanal 0 zu ermitteln. Wir lassen uns den zeitlichen Verlauf des analogen Wertes über den Serial-Plotter der Arduino-IDE anzeigen, der über den folgenden Menüpunkt aufgerufen wird. 9 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

10 Abbildung 8 Der Aufruf des Seriellen Plotters Ich habe ein wenig an meinem Potentiometer gespielt und verschiedene Positionen angefahren. Das Ergebnis schaute wie folgt aus. Abbildung 9 Der zeitliche Verlauf an einem analogen Eingang Auf diese Weise können natürlich alle 8 zur Verfügung stehenden analogen Eingänge des MCP3008 abgefragt werden. 10 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

11 Der Schaltungsaufbau auf dem Discoveryboard Der Schaltungsaufbau auf dem Discoveryboard ist denkbar einfach und schnell umgesetzt. Abbildung 10 Der Schaltungsaufbau mit dem MCP3008 auf dem Discoveryboard Es muss nur auf die richtige Ausrichtung anhand der Einkerbung des DIL-Gehäuses des MCP3008 geachtet werden. Andernfalls nimmt das IC Schaden und kann zerstört werden. Frohes Frickeln 11 Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008

12 Das ESP32-Praxisbuch [1] [2] [3] Analog/Digital-Wandlung mit dem MCP3008