AD変換/ESP32-WROOM-32E/Arduino IDE (Debian11.4.0)

2022/08/06

AD変換

ESP32 Series Datasheetより ESP-IDE Programming Guideより 「基準電圧は1100mVだけど、個体差があるよ」ってどういうことよ? しかも、0[V]付近は不感地帯があるし。

ESP32-WROOM-32EにはGPIO37,38がない。 GPIO0,13,21,22,TXD0,RXD0はすでに使用中 1 GND GND 38 2 3V3(電源) IO23(GPIO23) 37 3 EN(使用時H) IO22(GPIO22)I2C0SCL使用中 36 4 SENSOR_VP(GPIO36,ADC1_CH0) TXD0(GPIO1)開発環境使用中 35 5 SENSOR_VN(GPIO39,ADC1_CH3) RXD0(GPIO3)開発環境使用中 34 6 IO34(GPIO34,ADC1_CH6) IO21(GPIO21)I2C0SDA使用中 33 7 IO35(GPIO35,ADC1_CH7) NC 32 8 IO32(GPIO32,ADC1_CH4) IO19(GPIO19) 31 9 IO33(GPIO33,ADC1_CH5) IO18(GPIO18) 30 10 IO25(GPIO25,ADC2_CH8) IO5 (GPIO15)29 SDIOスレーブのタイミングを決定 11 IO26(GPIO26,ADC2_CH9) IO17(GPIO17) 28 12 IO27(GPIO27,ADC2_CH7) IO16(GPIO16)LED(R)使用中 27 13 IO14(GPIO14,ADC2_CH6) IO4 (GPIO4 ,ADC2_CH0) 26 14 IO12(GPIO12,ADC2_CH5) 内部LDO電圧を設定 IO0 (GPIO0, ADC2_CH1)BOOT使用中 25   15 GND 16 IO13 (GPIO13,ADC2_CH4) 17-22 NC 23 IO15 (GPIO15,ADC2_CH3) ブート時のログをU0TXDへ出力 (H:ログあり,L:ログなし) 24 IO2 (GPIO2,ADC2_CH2) Download Boot時はL

スケッチ例

#define AD_PIN 34
#define N 2000
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(100);
  analogSetAttenuation(ADC_6db);  //ATT -6dB
  pinMode(AD_PIN, ANALOG);
}

void loop() {
  long adMillivoltTemp = 0;
  for ( int i = 0 ; i < N ; i++ )
  {
      adMillivoltTemp += (long)analogReadMilliVolts(AD_PIN);
  }
  float adMillivolt = (float)((double)adMillivoltTemp / (double)N); //mV Average
  Serial.printf("%d[mV]\n", (int)(adMillivolt+0.5) );
}

つかってみよう

つかってみた

わかったこと

1. 入力インピーダンスはかなり大きい。
   電池とADコンバータ(ADC2_CH2,CH3)の間に電流計(30μAフルスケール,最小目盛0.5μA)を接続したが、針1本分も動かなかった。
   電源2.4[V],入力電流が0.5[μA]であれば抵抗分は4.8[MΩ]になる。電流はこれより小さいので、入力抵抗は4.8[MΩ]より大きい。入力容量は測定していない。
   
   
2. GPIO2,GPIO15,GPIO12は使わないのが吉
   IO2(ADC2_CH2)がプルアップされているとプログラムの書き込みができない。プログラムダウンロード時に「/tty/USB0がみつからない」と言われる。
   プログラム書き込み前にIO2(ADC2_CH2)を開放またはプルダウンまたは開放すると解決する。
   
   ESP32 DatasheetによるとGPIO2,GPIO15はストラッピングピンである。
   ストラッピングピンはADC2と共用しているものがあるので注意。
   IO2(GPIO2,ADC2_CH2)はDownload Boot時に0(L)でなければならない。デフォルトでプルダウンされているので開放時はL扱いになる。プルアップするとDownload Bootできない。
   IO15(GPIO,MTDO,ADC2_CH3)はブート時のログの有無を決める。ブート時ログをU0TXDに出力するときはHにする。デフォルトはプルアップされているので開放時はH扱いになる。プルダウンするとブート時ログをU0TXDに出力しない。
   IO0(GPIO0,BOOT,ADC2_CH1)　プログラム書き込みに使用
   IO12(GPIO12,MTDI,ADC2_CH5)　内部LDOの電圧を3.3Vまたは1.8Vのどちらかを選択
   IO5(GPIO5)　SDIOスレーブのタイミングを決定
   
   
3. WiFiを使うとADCが使えない。
   前述にあったとおりだが、「どのように使えないか」がわからなかった。
   WiFi.begin()でWiFiを使うと、 analogRead()もanalogReadMilliVolts()も0になる。雑音が多いとかランダムな値になるとかではない。
   WiFi.disconnect(true)でWiFiを止めるとAD変換ができる。
   WiFiを切断するとデータベースとの通信ができない。データベースとの通信を再開すると以前に使用していたセッションが残っていて、いろいろと問題になる。
   
   
4. 非線形性が問題
   ウワサの非線形性について気になったので、電池の放電特性とは別に、ADコンバータの特性を測定した。
   
   • 入力電圧に対するADコンバータ変換値analogRead()はたしかにヒドイ。
     入力電圧が0.1[V]未満では値0,3.1[V]以上では飽和している。加えて2.8[V]を境に傾きが変わっている。よく見ると0.5[V]から2.8[V]の間にも傾きの増減がある。
     
     
   • CH2,CH3を接続して同じ電圧を加えた。数値でみると電圧値(CH2[mV],CH3[mV])、AD変換値(ADC2_CH2,ADC2_CH3)ともに多少の差があるが、グラフにするとほぼ一致している。
     
     
   
   AD変換値analogRead()の代わりにanalogReadMiliVolts()関数を検討する。
   工場出荷段階で校正されているらしいが、正確な値がほしければ使用する前に補正が必要らしい。
   入力電圧Viが0.5[V]未満では電圧の測定ができていない。AD変換値(analogRead())が0だった区間なので、どうしようもない。
   入力電圧Viが0.5[V]以上3.1[V]以下であれば直線性は改善されている。入力電圧Viより40[mV]程度多めに表示されるが、近似式を見ると一次式で近似できている。
   電池の電圧を測定する程度には使えそうだ。
   

• 可能であるならADコンバータは外付けがよい。
• 内蔵ADコンバータは特性が悪いことに加えて、WiFi接続時は使用できない。
• どうしても内蔵ADコンバータを使いたいのであれば、特性を理解して使うこと

どちらかというとデータベースの問題

1. WiFiを切断する方法
   WiFi.disconnect()の引数はtrueにする。

   WiFi.disconnect(true);//disconnect(),disconnect(false)はダメらしい
   ....
   WiFi.begin(ssid,password);//WiFiに再接続
   

2. データベースを切断するタイミングが問題
   

   conn.execute(sql); conn.close(); WiFi.disconnect(true);

   のように連続して処理をすると、データがデータベースに記録されないときがある。記録されるときもある。

   conn.execute(sql); delay(xxxx); conn.close(); WiFi.disconnect(true);

   のようにconn.execute(sql)を実行した後、conn.state()を確認したが、0(no error)だった。 直ちにconn.close()を実行すると、conn.exe()が実行途中でデータベースを切断することになり、データが記録されない。
   遅延時間100mSにするとデータを失う頻度は減るが、皆無ではない。
   遅延時間500mSにするとデータの欠落はなくなった。 何かのフラグを確認するのが正しいと思うが、該当するフラグが見つからない。 接続するデータベースの応答速度に依存はずだが、遅延時間の最適値は確かめていない。
   
   
3. データベースが切断できていない
   conn.close();WiFi.disconnect(true);でデータベースは切断できたと思っいたが、そうではないらしい。
   (WiFiに接続)-(PostgreSQLへ接続)のたびに新しいセッションをつくっているらしい。
   PostgreSQL側でプロセスを見ると

   ps aux|grep postgres

   
   
   
4. 定時計測ができていない。
   遅延時間60秒をdelay(60000)として1分間隔で電圧を測定しようと思ったが、1分間隔でない。
   WiFiやデータベースの接続時間が一定でないので、前回測定からの待機時間は60〜70秒の間になっている。