【瑞萨RA × Zephyr评测】ADC、DAC和PWM

本文章旨在评估使用 Zephyr RTOS 在 Renesas FPB-RA6E2 开发板上实现 ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）和 PWM（脉宽调制）功能的应用。评估内容包括设备树配置、驱动初始化流程、主程序逻辑的详细解析，以及实验现象与数据分析。

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1. 硬件连接与引脚定义

本实验涉及 ADC、DAC 和 PWM 的硬件资源，以下是关键引脚及其功能：

功能	物理引脚 (Pin)	信号定义	接线说明
ADC 输入	P013	Analog In (AN011)	连接至 DAC 输出或外部信号源
DAC 输出	P014	Analog Out (DA0)	输出模拟电压
PWM 输出	P408	PWM Signal	使用 GPT1 定时器通道 1

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2. 软件环境配置

2.1 Device Tree Overlay (app.overlay)

设备树用于定义外设的物理引脚绑定和初始状态。以下是关键配置：

ADC 配置

&adc0 {
    status = "okay";
    pinctrl-0 = < &adc0_default >;
    pinctrl-names = "default";

    channel@0 {
        reg = < 0 >;
        zephyr,gain = "ADC_GAIN_1";
        zephyr,reference = "ADC_REF_INTERNAL";
        zephyr,acquisition-time = < ADC_ACQ_TIME_DEFAULT >;
        zephyr,resolution = < 12 >;
    };
};
};

};

};

#### DAC 配置

&dac0 {
    status = "okay";
    pinctrl-0 = < &dac0_default >;
    pinctrl-names = "default";
};

&pinctrl {
    dac0_default: dac0_default {
        group1 {
            psels = < RA_PSEL(RA_PSEL_DAC, 0, 14) >;
            renesas,analog-enable;
        };
    };
};
};

};

};

#### PWM 配置

&pwm1 {
    status = "okay";
};

pwmleds {
    compatible = "pwm-leds";
    pwm_led_p408: pwm_led_p408 {
        pwms = < &pwm1 1 PWM_MSEC(1) PWM_POLARITY_NORMAL >;
    };
};
};

};

};

### 2.2 Kconfig 配置 (prj.conf)

确保启用了 ADC、DAC 和 PWM 驱动支持：

CONFIG_ADC=y
CONFIG_DAC=y
CONFIG_PWM=y
CONFIG_LOG=y

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3. 代码逻辑分析

3.1 核心流程

ADC 流程

/*
 * Copyright (c) 2020 Libre Solar Technologies GmbH
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

#include < inttypes.h >
#include < stddef.h >
#include < stdint.h >

#include < zephyr/device.h >
#include < zephyr/devicetree.h >
#include < zephyr/drivers/adc.h >
#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < zephyr/sys/util.h >

#if !DT_NODE_EXISTS(DT_PATH(zephyr_user)) || 
	!DT_NODE_HAS_PROP(DT_PATH(zephyr_user), io_channels)
#error "No suitable devicetree overlay specified"
#endif

#define DT_SPEC_AND_COMMA(node_id, prop, idx) 
	ADC_DT_SPEC_GET_BY_IDX(node_id, idx),

/* Data of ADC io-channels specified in devicetree. */
static const struct adc_dt_spec adc_channels[] = {
	DT_FOREACH_PROP_ELEM(DT_PATH(zephyr_user), io_channels,
			     DT_SPEC_AND_COMMA)
};

int main(void)
{
	int err;
	uint32_t count = 0;
	uint16_t buf;
	struct adc_sequence sequence = {
		.buffer = &buf,
		/* buffer size in bytes, not number of samples */
		.buffer_size = sizeof(buf),
	};

	/* Configure channels individually prior to sampling. */
	for (size_t i = 0U; i < ARRAY_SIZE(adc_channels); i++) {
		if (!adc_is_ready_dt(&adc_channels[i])) {
			printk("ADC controller device %s not readyn", adc_channels[i].dev- >name);
			return 0;
		}

		err = adc_channel_setup_dt(&adc_channels[i]);
		if (err < 0) {
			printk("Could not setup channel #%d (%d)n", i, err);
			return 0;
		}
	}

	while (1) {
		printk("ADC reading[%u]:n", count++);
		for (size_t i = 0U; i < ARRAY_SIZE(adc_channels); i++) {
			int32_t val_mv;

			printk("- %s, channel %d: ",
			       adc_channels[i].dev- >name,
			       adc_channels[i].channel_id);

			(void)adc_sequence_init_dt(&adc_channels[i], &sequence);

			err = adc_read_dt(&adc_channels[i], &sequence);
			if (err < 0) {
				printk("Could not read (%d)n", err);
				continue;
			}

			/*
			 * If using differential mode, the 16 bit value
			 * in the ADC sample buffer should be a signed 2's
			 * complement value.
			 */
			if (adc_channels[i].channel_cfg.differential) {
				val_mv = (int32_t)((int16_t)buf);
			} else {
				val_mv = (int32_t)buf;
			}
			printk("%"PRId32, val_mv);
			err = adc_raw_to_millivolts_dt(&adc_channels[i],
						       &val_mv);
			/* conversion to mV may not be supported, skip if not */
			if (err < 0) {
				printk(" (value in mV not available)n");
			} else {
				printk(" = %"PRId32" mVn", val_mv);
			}
		}

		k_msleep(1000);
	}
	return 0;
}

1. 初始化 ADC 驱动并配置通道。
2. 调用 adc_read 函数读取模拟输入值。
3. 将读取的数字值转换为实际电压（基于参考电压和分辨率）。

DAC 流程

/*
 * Copyright (c) 2020 Libre Solar Technologies GmbH
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < zephyr/drivers/dac.h >

#define ZEPHYR_USER_NODE DT_PATH(zephyr_user)

#if (DT_NODE_HAS_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac) && 
	DT_NODE_HAS_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_channel_id) && 
	DT_NODE_HAS_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_resolution))
#define DAC_NODE DT_PHANDLE(ZEPHYR_USER_NODE, dac)
#define DAC_CHANNEL_ID DT_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_channel_id)
#define DAC_RESOLUTION DT_PROP(ZEPHYR_USER_NODE, dac_resolution)
#else
#error "Unsupported board: see README and check /zephyr,user node"
#define DAC_NODE DT_INVALID_NODE
#define DAC_CHANNEL_ID 0
#define DAC_RESOLUTION 0
#endif

static const struct device *const dac_dev = DEVICE_DT_GET(DAC_NODE);

static const struct dac_channel_cfg dac_ch_cfg = {
	.channel_id  = DAC_CHANNEL_ID,
	.resolution  = DAC_RESOLUTION,
#if defined(CONFIG_DAC_BUFFER_NOT_SUPPORT)
	.buffered = false,
#else
	.buffered = true,
#endif /* CONFIG_DAC_BUFFER_NOT_SUPPORT */
};

int main(void)
{
	if (!device_is_ready(dac_dev)) {
		printk("DAC device %s is not readyn", dac_dev- >name);
		return 0;
	}

	int ret = dac_channel_setup(dac_dev, &dac_ch_cfg);

	if (ret != 0) {
		printk("Setting up of DAC channel failed with code %dn", ret);
		return 0;
	}

	printk("Generating sawtooth signal at DAC channel %d.n",
		DAC_CHANNEL_ID);
	while (1) {
		/* Number of valid DAC values, e.g. 4096 for 12-bit DAC */
		const int dac_values = 1U < < DAC_RESOLUTION;

		/*
		 * 1 msec sleep leads to about 4 sec signal period for 12-bit
		 * DACs. For DACs with lower resolution, sleep time needs to
		 * be increased.
		 * Make sure to sleep at least 1 msec even for future 16-bit
		 * DACs (lowering signal frequency).
		 */
		const int sleep_time = 4096 / dac_values > 0 ?
			4096 / dac_values : 1;

		for (int i = 0; i < dac_values; i++) {
			ret = dac_write_value(dac_dev, DAC_CHANNEL_ID, i);
			if (ret != 0) {
				printk("dac_write_value() failed with code %dn", ret);
				return 0;
			}
			k_sleep(K_MSEC(sleep_time));
		}
	}
	return 0;
}

1. 初始化 DAC 驱动并设置通道分辨率。
2. 调用 dac_write_value 函数输出模拟电压。
3. 通过循环生成锯齿波或三角波。

PWM 流程

/*
 * Copyright (c) 2016 Intel Corporation
 * Copyright (c) 2020 Nordic Semiconductor ASA
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 */

#include < zephyr/kernel.h >
#include < zephyr/sys/printk.h >
#include < zephyr/device.h >
#include < zephyr/drivers/pwm.h >
 
/* 
 * 获取设备树中的 pwm-led0 别名
 * 注意：根据之前的 Overlay 配置，这对应 P408 引脚
 */
static const struct pwm_dt_spec pwm_dev = PWM_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(pwm_led0));
 
 
#define PERIOD PWM_MSEC(1)
 
/* 每次循环增加的占空比百分数 */
#define STEP   5
 
/* 每次速度变化的间隔时间 (毫秒) */
#define SLEEP_MS   500
 
int main(void)
{
	int ret;
	uint8_t duty_cycle = 0;   // 当前占空比 (0-100)
	uint32_t pulse_width = 0; // 实际脉宽时间
 
	if (!pwm_is_ready_dt(&pwm_dev)) {
		printk("Error: PWM device %s is not readyn",
		       pwm_dev.dev- >name);
		return 0;
	}
 
	printk("Starting pwm control on channel %d...n", pwm_dev.channel);
 
	ret = pwm_set_dt(&pwm_dev, PERIOD, 0);
	if (ret) {
		printk("Error: PWM device does not support period %lun", PERIOD);
		return 0;
	}
 
	while (1) {
		/* 计算脉宽: (周期 * 百分比) / 100 */
		pulse_width = (uint32_t)((uint64_t)PERIOD * duty_cycle / 100U);
 
		/* 设置 PWM: 周期固定，改变脉宽 */
		ret = pwm_set_dt(&pwm_dev, PERIOD, pulse_width);
		if (ret) {
			printk("Error %d: failed to set pulse widthn", ret);
			return 0;
		}
 
		/* 增加速度 */
		duty_cycle += STEP;
 
		/* 如果超过 100%，重置为 0 */
		if (duty_cycle > 100) {
			duty_cycle = 0; 
            printk(" > > Resetting cycle <

1. 初始化 PWM 驱动并设置周期。
2. 调用 pwm_set_dt 函数调整占空比。
3. 通过循环实现占空比的动态变化。

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3.2 关键 API 使用

以下是代码中使用的关键 API：

ADC

int adc_read(const struct device *dev, const struct adc_sequence *sequence);

• dev: ADC 设备句柄。
• sequence: 包含通道、缓冲区和采样时间的配置结构体。

DAC

int dac_write_value(const struct device *dev, uint8_t channel, uint32_t value);

• dev: DAC 设备句柄。
• channel: DAC 通道 ID。
• value: 输出的数字值。

PWM

int pwm_set_dt(const struct pwm_dt_spec *spec, uint32_t period, uint32_t pulse);

• spec: PWM 设备树绑定结构体。
• period: PWM 周期（纳秒）。
• pulse: PWM 脉宽（纳秒）。

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4. 实验现象与数据分析

4.1 ADC 数据采集

终端应显示如下数据流：

ADC reading[0]:
* adc@40170000, channel 0: 0 = 0 mV

4.2 DAC 输出波形

• 初始状态 : DAC 输出 0V。
• 运行时 : 生成锯齿波或三角波，频率由延时控制。
• 视觉效果 : 使用示波器观测 P014 引脚，应看到稳定的波形。
  

4.3 PWM 占空比变化

• 初始状态 : PWM 输出低电平。
• 运行时 : 占空比从 0% 到 100% 循环变化。
• 视觉效果 : 使用 LED 或示波器观测 P408 引脚，亮度或波形应随占空比变化。

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5. 测评总结

本程序成功演示了 Renesas RA6E2 在 Zephyr RTOS 下的 ADC、DAC 和 PWM 外设控制。通过闭环测试验证了数模转换的准确性，并展示了嵌入式系统中“数字-模拟-数字”的完整转换过程。代码结构清晰，适配了最新的驱动 API，适用于初学者学习和开发者快速验证硬件功能。