ESP-IDFを使ってみる

ADC変換とDAC変換

ESP32/ESP32S2/ESP32S3/ESP32C3(8685)はADC1、ADC2の2系統のADCコンバータを搭載しています。
ESP32C2(8684)/C6ではADC2は廃止され、ADC1だけになりました。
こちらにADCのサンプルが公開されていますが、モデルごとに挙動が違うので結構面倒です。

・ADC1もADC2もサンプリングのデフォルト解像度がモデルごとに異なります。
・キャリブレーションの方法がモデルごとに違います。
・使用できるチャネル数とGPIOがモデルごとに違います。

以下のコードでこの違いを確認することができます。

#include <stdio.h>

              #include <inttypes.h>

              #include <string.h>

              #include "freertos/FreeRTOS.h"

              #include "freertos/task.h"

              #include "soc/soc_caps.h"

              #include "soc/adc_channel.h"

              #include "esp_adc/adc_oneshot.h"

              // for ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT

              #include "driver/adc_types_legacy.h"

              

              // convert from gpio to adc1 channel

              adc_channel_t gpio2adc(int gpio) {

              #if CONFIG_IDF_TARGET_ESP32

                      if (gpio == 32)
              return ADC1_GPIO32_CHANNEL;

                      if (gpio == 33)
              return ADC1_GPIO33_CHANNEL;

                      if (gpio == 34)
              return ADC1_GPIO34_CHANNEL;

                      if (gpio == 35)
              return ADC1_GPIO35_CHANNEL;

                      if (gpio == 36)
              return ADC1_GPIO36_CHANNEL;

                      if (gpio == 37)
              return ADC1_GPIO37_CHANNEL;

                      if (gpio == 38)
              return ADC1_GPIO38_CHANNEL;

                      if (gpio == 39)
              return ADC1_GPIO39_CHANNEL;

              

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S2 ||
              CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S3

                      if (gpio == 1)
              return ADC1_GPIO1_CHANNEL;

                      if (gpio == 2)
              return ADC1_GPIO2_CHANNEL;

                      if (gpio == 3)
              return ADC1_GPIO3_CHANNEL;

                      if (gpio == 4)
              return ADC1_GPIO4_CHANNEL;

                      if (gpio == 5)
              return ADC1_GPIO5_CHANNEL;

                      if (gpio == 6)
              return ADC1_GPIO6_CHANNEL;

                      if (gpio == 7)
              return ADC1_GPIO7_CHANNEL;

                      if (gpio == 8)
              return ADC1_GPIO8_CHANNEL;

                      if (gpio == 9)
              return ADC1_GPIO9_CHANNEL;

                      if (gpio == 10)
              return ADC1_GPIO10_CHANNEL;

              

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C2 ||
              CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C3

                      if (gpio == 0)
              return ADC1_GPIO0_CHANNEL;

                      if (gpio == 1)
              return ADC1_GPIO1_CHANNEL;

                      if (gpio == 2)
              return ADC1_GPIO2_CHANNEL;

                      if (gpio == 3)
              return ADC1_GPIO3_CHANNEL;

                      if (gpio == 4)
              return ADC1_GPIO4_CHANNEL;

              

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C6

                      if (gpio == 0)
              return ADC1_GPIO0_CHANNEL;

                      if (gpio == 1)
              return ADC1_GPIO1_CHANNEL;

                      if (gpio == 2)
              return ADC1_GPIO2_CHANNEL;

                      if (gpio == 3)
              return ADC1_GPIO3_CHANNEL;

                      if (gpio == 4)
              return ADC1_GPIO4_CHANNEL;

                      if (gpio == 5)
              return ADC1_GPIO5_CHANNEL;

                      if (gpio == 6)
              return ADC1_GPIO6_CHANNEL;

              

              #endif

                      return -1;

              }

              

              void app_main(void)

              {

                      adc_channel_t
              adc1_channel;

                      int adc1_gpio;

              #if CONFIG_IDF_TARGET_ESP32

                     
              printf("TARGET_ESP32\n");

                      adc1_gpio = 32;

                      adc1_channel =
              gpio2adc(adc1_gpio);

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S2

                     
              printf("TARGET_ESP32S2\n");

                      adc1_gpio = 1;

                      adc1_channel =
              gpio2adc(adc1_gpio);

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32S3

                     
              printf("TARGET_ESP32S3\n");

                      adc1_gpio = 1;

                      adc1_channel =
              gpio2adc(adc1_gpio);

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C2

                     
              printf("TARGET_ESP32C2\n");

                      adc1_gpio = 0;

                      adc1_channel =
              gpio2adc(adc1_gpio);

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C3

                     
              printf("TARGET_ESP32C3\n");

                      adc1_gpio = 0;

                      adc1_channel =
              gpio2adc(adc1_gpio);

              #elif CONFIG_IDF_TARGET_ESP32C6

                     
              printf("TARGET_ESP32C6\n");

                      adc1_gpio = 0;

                      adc1_channel =
              gpio2adc(adc1_gpio);

              #endif

              

              #if ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING_SUPPORTED

                      printf("SUPPORT
              ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING\n");

              #else

                      printf("NOT
              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING\n");

              #endif

              

                      // ADC default
              bit width

                     
              printf("ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=%d\n",
              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT);

                     
              printf("ADC_BITWIDTH_DEFAULT=%d\n", ADC_BITWIDTH_DEFAULT);

                      // ADC Max
              channel

                     
              printf("SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=%d\n",
              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM);

                      // for
              continuous mode

                     
              printf("SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=%d\n",
              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH);

                     
              printf("SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=%d\n",
              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH);

                      // for oneshot
              mode

                     
              printf("SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=%d\n",
              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH);

                     
              printf("SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=%d\n",
              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH);

              

              

                      // ADC1 Init

                     
              adc_oneshot_unit_handle_t adc1_handle;

                     
              adc_oneshot_unit_init_cfg_t init_config1 = {

                             












              .unit_id = ADC_UNIT_1,

                      };

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_new_unit(&init_config1,
              &adc1_handle));

              

                      // ADC1 config

                     
              adc_oneshot_chan_cfg_t config = {

                             












              .bitwidth = ADC_BITWIDTH_DEFAULT,

                             












              .atten = ADC_ATTEN_DB_0,

                      };

                     
              printf("adc1_gpio=%d adc1_channel=%d\n", adc1_gpio,
              adc1_channel);

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_config_channel(adc1_handle,
              adc1_channel, &config));

              

                      //for (int
              i=0;i<10;i++) {

                      while (1) {

                             












              int adc_raw;

                             












              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_read(adc1_handle,
              adc1_channel, &adc_raw));

                             












              printf("GPIO%02d adc1_channel: %d Raw: %d(0x%04x)\n",
              adc1_gpio, adc1_channel, adc_raw, adc_raw);

                             












              vTaskDelay(100);

                      }

              }

adc1_gpioのピンと3.3Vピンをワイヤーで接続して、ESP32/ESP32S2/ESP32S3/ESP32C2/ESP32C3 /ESP32C6でこのコードを実行すると以下の様になります。

TARGET_ESP32

              NOT SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING

              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTING

              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=12

              ADC_BITWIDTH_DEFAULT=0

              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=10

              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=9

              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=9

              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=12

              adc1_gpio=32 adc1_channel=4

              GPIO32 adc1_channel: 4 Raw: 4095(0x0fff)

              

              

              TARGET_ESP32S2

              NOT SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING

              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTING

              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=13

              ADC_BITWIDTH_DEFAULT=0

              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=10

              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=13

              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=13

              adc1_gpio=1 adc1_channel=0

              GPIO01 adc1_channel: 0 Raw: 8191(0x1fff)

              

              

              TARGET_ESP32S3

              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING

              NOT SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTING

              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=12

              ADC_BITWIDTH_DEFAULT=0

              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=10

              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=12

              adc1_gpio=1 adc1_channel=0

              GPIO01 adc1_channel: 0 Raw: 4095(0x0fff)

              

              

              TARGET_ESP32C2

              NOT SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING

              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTING

              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=12

              ADC_BITWIDTH_DEFAULT=0

              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=5

              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=12

              adc1_gpio=0 adc1_channel=0

              GPIO00 adc1_channel: 0 Raw: 4095(0x0fff)

              

              TARGET_ESP32C3

              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING

              NOT SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTING

              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=12

              ADC_BITWIDTH_DEFAULT=0

              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=5

              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=12

              adc1_gpio=0 adc1_channel=0

              GPIO00 adc1_channel: 0 Raw: 4095(0x0fff)

              

              

              TARGET_ESP32C6

              SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING

              NOT SUPPORT ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTING

              ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT=12

              ADC_BITWIDTH_DEFAULT=0

              SOC_ADC_MAX_CHANNEL_NUM=7

              SOC_ADC_DIGI_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_DIGI_MAX_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MIN_BITWIDTH=12

              SOC_ADC_RTC_MAX_BITWIDTH=12

              adc1_gpio=0 adc1_channel=0

              GPIO00 adc1_channel: 0 Raw: 4081(0x0ff1) ---->
              なぜか4095にならない

サンプリングのデフォルトの解像度は、ESP32S2は13Bitsで、それ以外は12Bitsです。
キャリブレーションの方法として ADC_CALI_SCHEME_CURVE_FITTING/ADC_CALI_SCHEME_LINE_FITTINGが有り、
モデルごとにサポートしているキャリブレーション方法が違いますが、
公式サンプルの様に、両方のコードを書いておけば問題になる事は有ません。
キャリブレーションは読み取ったADCの値から電圧値に換算するときに使う補正値なので、
ADCの生の値を使う場合は、キャリブレーションを行う必要は有りません。

ESP-IDF V5からADCのドライバーは以下の3つに分離されました。
・ADC Oneshot Mode Driver
・ADC Continuous Mode Driver
・ADC Calibration Driver

APIもOneshot ModeとContinuous Modeでは別々のAPIに分かれました。
ESP-IDFのissuesを見ているとcontinuous modeにはいろいろ問題があるようです。
oneshot modeのサンプリングの解像度はadc_oneshot_config_channel()で指定しますが、ADC_BITWIDTH_DEFAULT 以外にビット数を指定することができます。
指定できるビット数はモデルごとに異なります。

	ESP32	ESP32S2	ESP32S3	ESP32C2/C3/C6
ADC_WIDTH_BIT_9	OK	NG	NG	NG
ADC_WIDTH_BIT_10	OK	NG	NG	NG
ADC_WIDTH_BIT_11	OK	NG	NG	NG
ADC_WIDTH_BIT_12	OK(デフォルト)	NG	OK	OK
ADC_WIDTH_BIT_13	NG	OK	NG	NG

これを見てわかるように、全てのモデルで共通のサンプリング解像度はありません。
ESP32S2だけは13 ビット→12ビットにシフトして、12ビットの解像度にそろえる必要が有ります。

「ADC_BITWIDTH_DEFAULT」のマクロ値は0なので、デフォルトが何ビット幅なのか分かりません。
メチャクチャ紛らわしいですが、「ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT」と言うマクロが有って、これに12とか13の値が設定されています。
但し、このマクロはESP-IDF V5で非標準になってしまいました。
ESP-IDF V5でこの値を使うときは、「driver/adc_types_legacy.h」をインクルードする必要が有ります。
なお、電圧値を求める場合はesp_adc_cal_raw_to_voltage()を使えば、関数内部で解像度を判断して、キャリブレーションによる補正を行った上で、
解像度や個体差に依存しない電圧値を得られることになっていますが、ESP32C6は少し怪しい動きをします。

ESP32ではADC1とADC2の２つのADCを使うことができます。
ESP-IDF V4.xまでは、ADC1とADC2では、それぞれ別の定義や関数を使っていましたが、ESP-IDF V5ではADC1もADC2も共通の定義、関数になり、
キャリブレーションの関数もADC1とADC2で統一されました。
公式のサンプルコードがこちらに公開されていますが、DMAを使わないOneShotの読み取りと、DMAを使った連続読み取りのサンプルに整理されてシンプルになりました。

１つのソースで、V4.xとV5.xのどちらでも動くようにするのはかなり面倒です。
以下の様に、V4.xとV5.xではリンクするソースを分けた方が簡単です。

$ cat CMakeLists.txt

              

              if (IDF_VERSION_MAJOR STREQUAL "4")

                  set(srcs "main_v4.c")

              endif()

              if (IDF_VERSION_MAJOR STREQUAL "5")

                  set(srcs "main_v5.c")

              endif()

              

              idf_component_register(SRCS ${srcs} INCLUDE_DIRS ".")

１つのソースの中で、V4.xとV5.xに対応しようとすると、このようになります。

#include <stdio.h>

              #include "freertos/FreeRTOS.h"

              #include "freertos/task.h"

              #include "esp_log.h"

              

              #if ESP_IDF_VERSION >= ESP_IDF_VERSION_VAL(5, 0, 0)

              #include "esp_adc/adc_oneshot.h"

              #else

              #include "driver/adc.h"

              #endif

              

              #define TAG "MAIN"

              

              void app_main(void)

              {

              #if ESP_IDF_VERSION >= ESP_IDF_VERSION_VAL(5, 0, 0)

                      // ADC1 Init

                     
              adc_oneshot_unit_handle_t adc1_handle;

                     
              adc_oneshot_unit_init_cfg_t init_config1 = {

                             















              .unit_id = ADC_UNIT_1,

                      };

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_new_unit(&init_config1,
              &adc1_handle));

              

                      // ADC1 config

                     
              adc_oneshot_chan_cfg_t config = {

                             















              .bitwidth = ADC_BITWIDTH_DEFAULT,

                             















              .atten = ADC_ATTEN_DB_11,

                      };

                      adc_channel_t
              adc_channel = ADC_CHANNEL_0;

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_config_channel(adc1_handle,
              adc_channel, &config));

              #else

                      // ADC1 config

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_DEFAULT));

                      adc1_channel_t
              adc_channel = ADC1_CHANNEL_0;

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc1_config_channel_atten(adc_channel,
              ADC_ATTEN_DB_11));

              #endif

              

                      while(1) {

                             















              int adc_raw;

              #if ESP_IDF_VERSION >= ESP_IDF_VERSION_VAL(5, 0, 0)

                             















              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_read(adc1_handle,
              ADC_CHANNEL_0, &adc_raw));

              #else

                             















              adc_raw = adc1_get_raw(ADC1_CHANNEL_0);

              #endif

                             















              ESP_LOGI(TAG, "adc_raw=%d", adc_raw);

                             















              vTaskDelay(50);

                      }

              }

上記のコードはキャリブレーションを行わないサンプルです。
キャリブレーションのコードを追加すると、さらに複雑になり可読性も悪くなります。

ADC2はWiFiと同時に使うことができません。
ADC2とWiFiを同時に使うためには、以下の様にWiFiとADC2を初期化した後に、esp_wifi_stop()でWiFiを停止してから、ADC2の読み取りを行う必要が有ります。

void app_main(void)

              {

                  //Initialize NVS

                  esp_err_t ret = nvs_flash_init();

                  if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||
              ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND) {

                   
              ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());

                    ret = nvs_flash_init();

                  }

                  ESP_ERROR_CHECK(ret);

              

                  //Initialize WiFi

                  wifi_init_sta();

              

                  //-------------ADC2
              Init---------------//

                  adc_oneshot_unit_handle_t adc2_handle;

                  adc_oneshot_unit_init_cfg_t
              init_config2 = {

                      .unit_id =
              ADC_UNIT_2,

                      .ulp_mode =
              ADC_ULP_MODE_DISABLE,

                  };

                 
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_new_unit(&init_config2,
              &adc2_handle));

              

                  //-------------ADC2 Calibration
              Init---------------//

                  adc_cali_handle_t adc2_cali_handle =
              NULL;

                  bool do_calibration2 =
              example_adc_calibration_init(ADC_UNIT_2, ADC_CHANNEL_0,
              ADC_ATTEN_DB_12, &adc2_cali_handle);

              

                  //-------------ADC2
              Config---------------//

                  adc_oneshot_chan_cfg_t config = {

                      .atten =
              ADC_ATTEN_DB_12,

                      .bitwidth =
              ADC_BITWIDTH_DEFAULT,

                  };

                 
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_config_channel(adc2_handle,
              ADC_CHANNEL_0, &config));

              

                  // ADC2 cannot be used with WiFi.

                  ESP_LOGW(TAG, "esp_wifi_stop()");

                  ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_stop());

              

                 
              ESP_ERROR_CHECK(adc_oneshot_read(adc2_handle,
              ADC_CHANNEL_0, &adc_raw[1][0]));

                  ESP_LOGI(TAG, "ADC%d Channel[%d] Raw
              Data: %d", ADC_UNIT_2 + 1, ADC_CHANNEL_0, adc_raw[1][0]);

                  if (do_calibration2) {

                     
              ESP_ERROR_CHECK(adc_cali_raw_to_voltage(adc2_cali_handle,
              adc_raw[1][0], &voltage[1][0]));

                      ESP_LOGI(TAG,
              "ADC%d Channel[%d] Cali Voltage: %d mV", ADC_UNIT_2 + 1,
              ADC_CHANNEL_0, voltage[1][0]);

                  }

              

                  ESP_LOGW(TAG, "esp_wifi_start()");

                  ESP_ERROR_CHECK(esp_wifi_start());

              }

esp_wifi_start()でWiFi接続が復活します。

W (6668) MAIN: esp_wifi_stop()

              I (6678) wifi:state: run -> init (0x0)

              I (6688) wifi:pm stop, total sleep time: 747375 us /
              1110700 us

              

              I (6688) wifi:new:<1,0>, old:<1,1>,
              ap:<255,255>, sta:<1,1>, prof:1,
              snd_ch_cfg:0x0

              I (6688) MAIN: retry to connect to the AP

              I (6698) MAIN: connect to the AP fail

              I (6848) wifi:flush txq

              I (6848) wifi:stop sw txq

              I (6848) wifi:lmac stop hw txq

              I (6848) MAIN: ADC2 Channel[0] Raw Data: 505

              I (6848) MAIN: ADC2 Channel[0] Cali Voltage: 539 mV

              W (6848) MAIN: esp_wifi_start()

              I (6858) wifi:mode : sta (c8:c9:a3:cf:10:c4)

              I (6858) wifi:enable tsf

              I (6858) main_task: Returned from app_main()

              I (6918) wifi:new:<1,1>, old:<1,0>,
              ap:<255,255>, sta:<1,1>, prof:1,
              snd_ch_cfg:0x0

              I (6918) wifi:state: init -> auth (0xb0)

              I (6998) wifi:state: auth -> assoc (0x0)

              I (7038) wifi:state: assoc -> run (0x10)

              I (7178) wifi:connected with aterm-d5a4ee-g, aid = 2,
              channel 1, 40U, bssid = fe:b7:97:36:de:52

              I (7178) wifi:security: WPA2-PSK, phy: bgn, rssi: -34

              I (7178) wifi:pm start, type: 1

              

              I (7228) wifi:AP's beacon interval = 102400 us, DTIM
              period = 1

              I (8298) esp_netif_handlers: sta ip: 192.168.0.139, mask:
              255.255.255.0, gw: 192.168.0.1

              I (8298) MAIN: got ip:192.168.0.139

              I (9088) wifi:<ba-add>idx:0 (ifx:0,
              fe:b7:97:36:de:52), tid:5, ssn:0, winSize:64

              I (9198) wifi:<ba-add>idx:1 (ifx:0,
              fe:b7:97:36:de:52), tid:0, ssn:2, winSize:64

ESP32とESP32S2はDACコンバータを搭載しています。
ESP32S3やESP32CシリーズにはDACは搭載されていません。
ESP32でDACとして使用できるGPIOはGPIO25とGPIO26だけで、ESP32S2でDACとして使用できるGPIOは GPIO17とGPIO18だけす。
どちらも0から255までのDigital値をAnalog値に変換することができます。
出力電圧は out_voltage = Vref * digi_val / 255 で、Vrefは電源電圧(3.3V)になります。
ESP-IDF V5.1からLegacy DAC driverとNew DAC driverに分かれました。
さらにNew DAC driverはone-shot mode、cosine mode、continuous modeにAPIが別れました。
こちらにそれぞれのサンプルが公開されています。

続く．．．．