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MultiChannelVoltmeter.md

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MultiChannelVoltmeter.md

File metadata and controls

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title Multi channel voltmeter.md
author Wootaik Lee (wootaik@gmail.com) / Kyunghan Min (kyunghah.min@gmail.com) / Hyunki Shin (HyunkiShin66@gmail.com)
date 2019-04-06

Multi channel voltmeter

시작하는 질문

  • ADC 라는 것은 알겠는데, AURIX에는 VADC라고 되어 있네? Versatile 이라고? 이것은 또 뭐냐?

아날로그 신호를 디지탈 값으로 바꿔주는 장치를 ADC(Analog-to-Digital Converter)라고 부르고 대부분의 마이크로컨트롤러들은 이 모듈을 가지고 있습니다. ADC를 이야기 할 때 채널의 갯수, 변환속도, 그리고 분해능 등이 중요한 스펙(Specification) 입니다. 아날로그 변환값을 CPU에서 사용하기 위해서는 다음의 몇가지 사항에 대해서 프로그래밍을 해줘야 합니다.

  • 변환한 값은 어느 곳에 어떻게 보관할 것인지?
  • 언제 샘플링 할 것인지?

ADC 하드웨어가 이 두 가지 사항에 대해서 어떻게 지원해 주는지에 따라 소프트웨어는 확연하게 다른 방식으로 구성되어 집니다. 하드웨어에서 이 사항을 충실하게 지원해 주면 ADC 모듈의 설정에 관심을 가지고 세심하게 프로그래밍 해야 하고, 그렇지 않다면 설정은 간단하지만 샘플링 마다 관련된 동작을 반복적으로 실행해야만 합니다.

AURIX의 VADC는 위의 두가지 사항을 충실하게 지원해 주고 있습니다. 그래서 그냥 ADC라고 부르지 않고 다재다능한(Versatile) ADC라고 부르는 것입니다. VADC를 사용하면, 설정할 때는 심사숙고해야 하지만, 사용할 때는 일반 변수를 읽어들이는 것처럼 쉽게 처리할 수 있습니다.

Objectives

  • VADC의 기본 구조를 이해하고,
  • VADC의 내부 블럭별 설정 방법을 이해하고,
  • Background Scan 모드로 동작시키는 방법을 익힌다.

References

  • TC23x TC22x Family User's Manual v1.1 - Chap27 VADC
  • TC27xD-step User's Manual v2.2 - Chap28 VADC
  • iLLD_TC23A_1_0_1_8_0 - Modules/iLLD/VADC

[Example Code]

  • MyIlldModule_AK_TC23A - VadcBackgroundScan
  • MyIlldModule_SB_TC27D - VadcBackgroundScan
  • AurixRacer_AK_TC23A - TestVadcBgScan
  • AurixRacer_SB_TC27D - TestVadcBgScan

Example Description

  • AN0 와 AN1 의 아날로그 전압을 디지탈로 변환하여 읽어들인다.
    • 두채널의 아날로그 전압값을 전압계로 읽어들이는 것과 마찬가지로 동작한다.

Background 정보

  • Analog to digital conveter
    • ADC는 아날로그 측정 값을 디지털 값으로 출력하는 전자 회로
    • 아날로그 입력신호는 오디오, 비디오, 온도 등 매우 종류가 다양
    • 자동차에서 아날로그 값으로 측정하는 센서가 많기 때문에
    • AURIX에서는 여러 채널의 아날로그 값을 측정할 수 있는 멀티채널 방식을 적용
  • Multi channel ADC
    • 여러 채널을 변환하기 위해서 복수개의 ADC를 사용하는 것 보다는,
    • 한 개의 ADC모듈을 사용하여 analog MUX를 적용하는 것이 더 경제적
    • 대신 ADC는 하나의 모듈이 여러 채널을 제어하기 위해서 복잡한 구조를 갖게 됨

AURIX - related

  • ​2개의 converter group과 14개의 input channel
    • 각 그룹은 독립적으로 작동하는 ADC kernel
    • 그룹별로 14채널의 전용 아날로그 input multiplexer를 보유
    • 어떤 채널을 어떤 타이밍(sample)에 어떤 우선순위(arbitration)을 갖고 스캔을 할지 제어 가능 (각 기능들의 의미와 설정은 다음장에서)
    • 이번 장에서는 background scan을 이용하여 데이터를 받아올 것이다.

MultiChannelVoltmeter_StructureOverview

  • Backgound scan
    • 가장 낮은 우선순위를 지님
    • 모든 그룹의 모든 채널에 scan 권한이 있음
    • 채널별 할당 된 핀으로 부터 아날로그 voltage 값을 취득
    • 다른 명령없이도 스캔한 값을 지속적으로 디지털 값으로 변환
    • 각각 채널은 독립적으로 동작한다.
    • 사용자가 컨버팅된 값을 이용하기 위해선 그 result가 어떻게 처리되는지 이해할 필요가 있다.
  • Result handling
    • 여러 입력을 동시에 받기 때문에 체계적인 처리과정 없이는 데이터 손실이 발생할 수 있음
    • 각 채널에 병렬적으로 사용가능한 16개의 result register와 1개의 global register가 존재하며,
    • Wait-for-read mode를 사용하여 overwrite에 의한 데이터 손실을 방지한다.

[참고] Wait-for-read mode란?

  • Target result register가 read 가능한 상태가 될 때까지 컨버팅을 정지시키는 모드

MultiChannelVoltmeter_KernelDiagram

iLLD - related

Module Configuration

  • VADC 모듈은 작은 모듈들의 집합: 구조적인 사고로 접근할 필요가 있다.
  • 상위단에서 하위단까지 단계별 설정이 필요
    1. ADC configuration
    2. Group configuration
    3. Channel configuration
  • 설정은 개별적인 구조체와 계측적인 명명법을 사용한 method로 구분하여 구현되어 있다.

[참고] Demo 코드에서는 채널 설정 부분이 설정영역이 아니라 실행영역에 프로그래밍 되어 있다.

  • 실행하면서 채널의 설정을 바꿔야 하는 경우 demo 코드처럼 실행하는 것이 맞으나,
  • 대부분의 제어시스템에서는 초기화 단계에서 모듈과 함께 실행하는 것이 옳다고 판단되어,
  • 다음과 같이 초기화 단계에서 실행되도록 수정하였다.
//in VadcBackgroundScanDemo.c
void VadcBackgroundScanDemo_init(void)
{
    // ADC module configuration 생성
    IfxVadc_Adc_Config adcConfig;
    IfxVadc_Adc_initModuleConfig(&adcConfig, &MODULE_VADC);
    IfxVadc_Adc_initModule(&g_VadcBackgroundScan.vadc, &adcConfig);

    // ADC module 초기화
    IfxVadc_Adc_GroupConfig adcGroupConfig;
    IfxVadc_Adc_initGroupConfig(&adcGroupConfig, &g_VadcBackgroundScan.vadc);

    // 사용할 Group 0에 관련된 세부 설정 세팅
    adcGroupConfig.groupId = IfxVadc_GroupId_0;
    adcGroupConfig.master  = adcGroupConfig.groupId;

    // enable background scan source
    adcGroupConfig.arbiter.requestSlotBackgroundScanEnabled = TRUE;

    // enable background auto scan
    adcGroupConfig.backgroundScanRequest.autoBackgroundScanEnabled = TRUE;

    // enable all gates in "always" mode (no edge detection)
    adcGroupConfig.backgroundScanRequest.triggerConfig.gatingMode = IfxVadc_GatingMode_always;

    // 변경된 설정을 적용하기 위해 다시 초기화
    IfxVadc_Adc_initGroup(&g_VadcBackgroundScan.adcGroup, &adcGroupConfig);

    // Background scan에 2채널을 추가
    uint32                    chnIx;

    // create channel config
    IfxVadc_Adc_ChannelConfig adcChannelConfig[2];

    for (chnIx = 0; chnIx < 2; ++chnIx)
    {
       IfxVadc_Adc_initChannelConfig(&adcChannelConfig[chnIx], &g_VadcBackgroundScan.adcGroup);

       adcChannelConfig[chnIx].channelId         = (IfxVadc_ChannelId)(0 + chnIx);
       adcChannelConfig[chnIx].resultRegister    = (IfxVadc_ChannelResult)(0 + chnIx); // use register #0 and 1 for results
       adcChannelConfig[chnIx].backgroundChannel = TRUE;

       // 채널 초기화
       IfxVadc_Adc_initChannel(&adcChannel[chnIx], &adcChannelConfig[chnIx]);

       // background scan에 추가
       unsigned channels = (1 << adcChannelConfig[chnIx].channelId);
       unsigned mask     = channels;
       IfxVadc_Adc_setBackgroundScan(&g_VadcBackgroundScan.vadc, &g_VadcBackgroundScan.adcGroup, channels, mask);
    }

    // start scan
    IfxVadc_Adc_startBackgroundScan(&g_VadcBackgroundScan.vadc);
    }
  • Group0의 채널0과 1을 사용하기로 하였으므로 설정에 맞는 포트와 핀을 찾아보면
    • TC237

MultiChannelVoltmeter_Pin_237

  • TC275
    • Group 0의 채널 0 - Analog input 10
    • Group 0의 채널 1 - Analog input 11
    • 보드에서 이 핀들의 위치는 아래와 같다.

MultiChannelVoltmeter_Pin_275

Interrupt Configuration

  • 모듈 설정을 통해 ADC 동작을 모두 자동으로 실행하도록 설정
    • 그러므로 ADC 변환과 관련해서 인터럽트를 발생해서 실행해야 하는 동작은 없음
    • 사용자의 필요에 의해서 추가적으로 인터럽트를 발생시킬 수는 있다

Module Behavior

  • 새로운 valid data가 갱신될 경우 valid flag 신호가 나옴
  • Signal을 기준으로 결과값을 저장
//in VadcBackgroundScanDemo.c
void VadcBackgroundScanDemo_run(void)
{
	uint32 chnIx;

	for (chnIx = 0; chnIx < 2; ++chnIx)
	{
		volatile unsigned     group   = adcChannel[chnIx].group->groupId;
		volatile unsigned     channel = adcChannel[chnIx].channel;

		// wait for valid result
		volatile Ifx_VADC_RES conversionResult;

		// conversionResult.B.VF; 유효데이터임을 알려주는 valid flag
		do
		{
			conversionResult = IfxVadc_Adc_getResult(&adcChannel[chnIx]);
		} while (!conversionResult.B.VF);

		uint32 actual = conversionResult.B.RESULT;
	}
}
  • 저장된 결과는 main loop에서 0.5초의 주기로 출력된다.
// in Cpu0_Main.c
int core0_main(void)
{
  // 중략

  while (TRUE)
  {
      VadcBackgroundScanDemo_run();
      wait(TimeConst_100ms*5);
  }

return 0;
}
  • 디버거와 연결이 되어있다면 Simulated I/O 창을 통해 확인할 수 있다.

MultiChannelVoltmeter_Output

추가적인 설명

In AurixRacer; TestVadcBgScan

  • 각 보드에서 사용할 그룹과 채널은 다음과 같다
    • TC237: Group1의 채널 0, 1, 2, 3
    • TC275: Group5의 채널 0, 1, 2, 3
  • 각 Board에는 이 source에 맞는 pin이 맵핑되어있다.

    • TC237

      • 메뉴얼을 통해 확인 MultiChannelVoltmeter_Pin_237

    • TC275

      • Group 5의 채널 0 - DAC0
      • Group 5의 채널 1 - DAC1
      • Group 5의 채널 2 - CAN RX
      • Group 5의 채널 3 - CAN TX
      • 보드에서 이 핀들의 위치는 아래와 같다.

MultiChannelVoltmeter_Pin_275

  • Channel configuration 초기화 때 이 설정값을 입력
// in BasicVadcBgScan.c
#if BOARD == APPLICATION_KIT_TC237
static uint32 adcChannelNum[ADC_CHN_MAX] = {
		3, 4, 8, 9  // AN15, AN16, AN20, AN21
};
#elif BOARD == SHIELD_BUDDY
static uint32 adcChannelNum[ADC_CHN_MAX] = {
		4, 5, 6, 7 // AN44, AN45, AN46, AN47
};
#endif


for (chnIx = 0; chnIx < ADC_CHN_MAX; ++chnIx)
{
		IfxVadc_Adc_initChannelConfig(&adcChannelConfig, &g_VadcBackgroundScan.adcGroup);

		adcChannelConfig.channelId         = (IfxVadc_ChannelId)(adcChannelNum[chnIx]);
		adcChannelConfig.resultRegister    = (IfxVadc_ChannelResult)(adcChannelNum[chnIx]);
		adcChannelConfig.backgroundChannel = TRUE;

		// 생략
}
  • Default 분해능은 12bit이기 때문에 결과값은 0~4095의 수치로 나올 것이다.
  • 직관적인 사용을 위해 nomalization하여 저장한다.
// in BasicVadcBgScan.c
void BasicVadcBgScan_run(void)
{
    uint32                    chnIx;
    // wait for valid result
    volatile Ifx_VADC_RES conversionResult;

        // check results
        for (chnIx = 0; chnIx < ADC_CHN_MAX; ++chnIx)
        {
            do
            {
                conversionResult = IfxVadc_Adc_getResult(&g_VadcBackgroundScan.adcChannel[chnIx]);
            } while (!conversionResult.B.VF);

			IR_AdcResult[chnIx] = (float32) conversionResult.B.RESULT / 4095;

        }
}

마치며...

관련 설정을 하면서 무척 놀랐을 것입니다. '고작 두채널의 정보를 읽어들이는데 이렇게 많은 사항을 고려하고 길게 프로그래밍해야 하나?' 하고 말입니다. 시작하며 이야기 했던 것 처럼, VADC는 뛰어난 기능을 가진 ADC 입니다. 그 기능을 활용하기 위해서 앞서 강조한 바와 같이 섬세하게 설정해 준 것입니다. 일단 이렇게 섬세하게 설정해 주면 VADC는 우리를 배신(?)하지 않습니다. 빠른 속도로 값을 변환하여 언제든지 읽을 수 있게 만들어 줍니다.

이제 여러 채널의 아날로그 전압을 읽어들일 수 있게 되었습니다. 약간 과장하면 Multi Channel Voltmeter를 가지게 되었다고 말할 수 있습니다. 이 전압값을 적절하게 스케일 하면 이 전압을 만들어 냈었던 센서의 측정값으로 변경할 수도 있습니다.

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