嵌入式Linux

正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板学习笔记：光敏电阻 ADC 采集

I.MX6ULL ADC 模块框图 — I.MX6ULL ADC1 模块内部结构

这篇笔记记录在正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板上完成的一次小实验——光敏电阻 ADC 采集。内容涉及采样、量化、编码、逐次逼近法等知识点，尽量用图文结合的方式讲清楚。

1. 什么是 ADC？

ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）的作用就是把连续的模拟信号转换成离散的数字信号，让 CPU 能够读取和处理。

举个例子：光敏电阻两端的电压会随着光线强弱连续变化，这个电压是模拟量；而 CPU 只认识 0 和 1，所以我们需要 ADC 把这个电压变成一串数字，比如 0~4095 之间的整数。

2. 我所使用的 ADC 分辨率是多少？

I.MX6ULL 片上集成的 ADC 是 12 位分辨率的。也就是说，转换结果用 12 个二进制位来表示，范围是：

0 ~ 2^12 - 1 = 0 ~ 4095

如果基准电压是 3.3V，那么理论上每一个数字码对应的电压步长（LSB）约为：

LSB = 3.3V / 4095 ≈ 0.806 mV

换句话说，ADC 能分辨的最小电压变化大约是 0.8 毫伏，对光敏电阻这种变化缓慢的信号来说完全够用了。

3. ADC 转换需要经过哪几步？（ADC 工作原理）

ADC 并不是“咔嚓”一下就把电压变成数字的，它内部要分四步走：

采样（Sample）：在某一瞬间把连续的模拟信号“截取”下来，完成时间上的离散化。
保持（Hold）：把采样得到的电压值保持住，让后面的电路有足够时间处理，避免转换过程中输入信号变化。
量化（Quantize）：把保持住的模拟电压映射到离散的数字等级上。12 位 ADC 就有 4096 个等级。
编码（Encode）：把量化后的等级编码成二进制数输出，比如 1010 0110 1100。

4. 什么是逐次逼近法？

I.MX6ULL 的 ADC 采用的是逐次逼近型（SAR，Successive Approximation Register）架构。它的核心思想就像“猜数字游戏”里的二分查找：

第一次先猜最大值的一半（12 位就是 2048），把 DAC 输出与输入电压比较；
如果 DAC 输出比输入大，就把这一位清 0；如果小，就置 1；
接着从最高位（MSB）到最低位（LSB）一位一位地确定；
12 位分辨率只需要 12 次比较，就能拿到最终转换结果。

逐次逼近型 ADC 工作原理 — SAR + DAC + 比较器协同完成逐次逼近

这种结构在速度和功耗之间取得了很好的平衡，也是嵌入式 SoC 中最常见的 ADC 类型。

5. SoC 上 ADC 的基准电压是多少 V？（IMX6ULL）

I.MX6ULL 的 ADC 基准电压由 VREFH 和 VREFL 决定。在正点原子 MINI 开发板上，VREFH 通常接 3.3V，VREFL 接地（0V），所以实际基准电压为：

Vref = VREFH - VREFL = 3.3V - 0V = 3.3V

因此数字码和输入电压的换算关系是：

Vin = raw * 3.3 / 4095

6. 光敏电阻 ADC 采集实验

6.1 硬件连接

光敏电阻和一个固定电阻组成一个简单的分压电路：

在正点原子 I.MX6ULL MINI 开发板上，光敏电阻的输出接到了 ADC1_IN1 通道（对应引脚 GPIO1_IO01）。这一阶段还没有跑 Linux，直接通过配置寄存器来驱动 ADC。

6.2 真实可用的 ADC 驱动代码

下面是实际工程 /home/zhao/code/code_2026.7.27ADC/adc 中验证过的代码，只保留了 ADC 相关核心部分。

adc.h

#ifndef _ADC_H_
#define _ADC_H_

extern void adc1_channel1_init(void);
extern unsigned short adc1_get_origin_value(void);
extern float adc1_get_value(void);

#endif

adc.c

#include "adc.h"
#include "stdio.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "core_ca7.h"
#include "fsl_iomuxc.h"

/* ADC 自校准：置位 CAL，等待完成，检查 GS[CALF] */
int adc1_calibration(void)
{
    ADC1->GC |= (1 << 7);
    while ((ADC1->GC & (1 << 7)) != 0);
    if ((ADC1->GS & (1 << 1)) == 0)
        return 1;   /* 校准成功 */
    else
        return 0;   /* 校准失败 */
}

/* ADC1 通道 1 初始化 */
void adc1_channel1_init(void)
{
    /* 1. GPIO1_IO01 复用为 ADC1_IN1 */
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO01_GPIO1_IO01, 0);

    /* 2. 配置引脚电气属性 */
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO01_GPIO1_IO01,
                        IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_PKE(1));
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO01_GPIO1_IO01,
                        IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_PUE(0));

    /* 3. 配置 ADC：软件触发、12-bit 模式 */
    ADC1->HC[0] &= ~(1 << 7);
    ADC1->CFG = 0;
    ADC1->CFG |= (2 << 2) | (3 << 0);
    ADC1->GC = 0;
    ADC1->GC |= (1 << 0);

    /* 4. 校准 */
    printf(adc1_calibration() ?
           "calibration completed normally!\n" :
           "calibration completed failed!\n");
}

/* 读取 ADC 原始值（12-bit） */
unsigned short adc1_get_origin_value(void)
{
    /* 1. 启动 ADC 转换：先清通道号，再写通道 1 */
    ADC1->HC[0] = 0;
    ADC1->HC[0] = 1;

    /* 2. 等待转换完成：HS[COCO0] 置 1 */
    while ((ADC1->HS & (1 << 0)) == 0);

    /* 3. 读取结果寄存器低 12 位 */
    return ADC1->R[0] & 0xFFF;
}

/* 原始值换算成电压 */
float adc1_get_value(void)
{
    return adc1_get_origin_value() / 4095.0 * 3.3;
}

main.c 中的调用

#include "adc.h"

int main(void)
{
    /* 板级启动代码已初始化系统时钟、中断、GPIO、UART 等 */
    clock_init();
    system_interrupt_init();
    led_init();
    beep_init();
    gpt_init();
    uart_init();
    i2c_init();

    /* 初始化 ADC1 通道 1 */
    adc1_channel1_init();

    led_off();
    beep_off();

    while (1)
    {
        /* 读取并打印电压值 */
        float f = adc1_get_value();
        int k = f * 1000;
        int m = k / 1000;
        int n = k % 1000;
        printf("voltage:%d.%03d\n", m, n);
    }

    return 0;
}

6.3 关键点说明

板级初始化：clock_init()、system_interrupt_init()、uart_init() 等由启动代码完成，为 ADC 提供时钟和调试输出。
引脚复用：GPIO1_IO01 通过 IOMUXC_SetPinMux 复用为 ADC1_IN1，再用 IOMUXC_SetPinConfig 配置上拉/保持等电气属性。注意代码里 PKE=1 打开了 Keeper，参考手册建议 ADC 输入引脚关闭 Keeper/上下拉（PKE=0），以免对采样引入误差。
ADC 配置：ADC1->CFG 配置时钟和模式；ADC1->GC 的 bit0 是 ADACKEN（异步时钟输出使能），不是 ADC 总使能位——该模块没有单独的总使能，往 HC[0] 写通道号就会启动转换。
校准：启动转换前必须执行 adc1_calibration()，校准失败会影响精度。
启动转换：往 HC[0] 写通道号即可触发一次转换，这里是通道 1。
轮询等待：转换完成时 HS[COCO0] 置 1，然后读 R[0] 的低 12 位。
电压换算：Vin = raw / 4095.0 * 3.3，对应基准电压 3.3V、12-bit 分辨率。

6.4 实验现象

下面是一段真实采集的曲线：0~10 点室内光下电压约 1.8V；10~15 点用手遮住光敏电阻，光照变弱、RG 变大，电压逐渐升到约 2.6V；30~35 点用手电筒照射，光照变强、RG 变小，电压迅速降到约 0.9V；45~50 点再次遮挡，电压又回升。实际数据带有噪声和抖动，不会是那种理想的光滑正弦波。

真实光照变化下的 ADC 采样曲线 — 遮挡时电压升高、强光照射时电压降低，且曲线带有自然噪声

总结

问题	答案
什么是 ADC？	把模拟信号转换成数字信号的电路/模块
I.MX6ULL ADC 分辨率	12 位，输出范围 0~4095
ADC 转换步骤	采样 → 保持 → 量化 → 编码
什么是逐次逼近法	从 MSB 到 LSB 逐位二分比较，快速得到数字码
IMX6ULL ADC 基准电压	3.3V（VREFH=3.3V，VREFL=0V）

这次实验让我对 ADC 的寄存器操作有了更直观的认识。裸机阶段虽然要手动配置 ADC 引脚、控制寄存器并做校准，但板级启动代码已经帮忙把系统时钟、中断、UART 等基础设施搭好，所以能把精力放在理解 ADC 本身。后面学到 Linux 驱动时，再把这些寄存器操作封装成字符设备或 sysfs 节点，体会会更深。