Arduino 的類比功能：如何運用在新設計中

無論您是嵌入式設計專家或程式設計新手，Arduino 開放式硬體平台的類比輸入和輸出通道，都可輕鬆讓您的專案延伸並觸及「真實世界」。 小型模組可輕鬆連接 MCU 的多通道輸入，可用來監測電壓並讀取多種類比感測器或取樣波形。

MCU 的數位類比轉換器具有相對中等的解析度和轉換速度，因此非常適合多種一般應用，涵蓋照明、馬達控制以及放大器增益偏壓的驅動等。 本文將介紹構成 Arduino 類比功能基礎的硬體與軟體資源，並說明如何運用在新設計中。

若您對 Arduino 並不熟悉，可在 TechZone 文章「Arduino 開放原始碼平台釋放創意」中瞭解相關知識。

專為類比而生

為了貫徹在真實世界應用中輕鬆套用數位技術的原則，Arduino 硬體平台的設計能完全發揮 Atmel 多功能 ATmega 8 位元 MCU 系列內建的類比能力。 Arduino 平台所採用的 ATmega 所有型號皆搭載晶片上多通道類比數位轉換器 (ADC)。 此 ADC 具有 10 位元解析度，能以 0 至 1023 整數的形式達到高達 15,000 的每秒取樣數。 絕大多數 AVR MCU 皆支援 6 個類比輸入通道，有些型號更可支援 8 和 16 個輸入。 類比引腳的主要功能是讀取類比輸入，除此之外亦可配置成數位一般用途輸入／輸出 (GPIO) 引腳。 若有需要，類比引腳可選用上拉電阻，能配置成跟 MCU 數位引腳的上拉電阻一樣。

有些 AVR MCU 配有數位類比轉換器 (DAC)，但目前這一代的 Arduino 板系列成員是以快速切換其數位 I/O 引腳產生脈寬調變 (PWM) 訊號的方式產生類比輸出。 各個 PWM 輸出的 490 Hz（概略值）方波工作週期能進行編程，達到介於 0 至 5 V 的等量 RMS 電壓（分為 256 個 2 ms 增量，如圖 1 所示）。 即便多少受到能力限制，Arduino 的輸出仍可運用在眾多作業，例如 LED 驅動或馬達控制。

圖 1：透過脈寬調變 (PWM) 技術，Arduino 的數位 GPIO 引腳即可當作類比輸出（資料來源：Arduino.cc）。

絕大多數的 Arduino 板皆可透過板邊緣的母端引腳連接器輕鬆連接 MCU 的類比（和數位）I/O 訊號。 類比通道數及其實體引腳配置會依據使用的特定 MCU 和板尺寸而有所不同，但多數型號還是會依據常用「官方」設計的引腳配置原則，例如 Uno（圖 2）、Mega 和 Nano。

圖 2：Arduino Uno (rev3) 板的類比輸入 (A0-A5) 以及類比 PWM 輸出（數位 3、5、6、9、10 和 11）皆可透過板邊緣的標準排針座引腳進行實體連接（資料來源：Arduino.cc）。

由於 Arduino IDE 支援的程式語言包含原生的類比 I/O 命令集，因此亦可輕鬆透過類比 I/O 功能開發程式碼。 這些指令能達到類比輸入的讀取、類比 (PWM) 輸出的產生，並且配置 A/D 轉換器的參考電壓。

讀取類比輸入

將 Arduino 類比輸入運用到真實世界應用相當直覺，但需針對 AVR 的 A/D 轉換器小心選擇正確的電壓參考來源。 可使用預設、內部或外部參考電壓決定輸入電壓範圍的上限。 在預設模式下，MCU 會使用板載電源供應器穩壓器的輸出做為參考來源。 參考電壓可能是 5 V 或 3.3 V，視使用的特定 Arduino 板而定。

內部模式則採用 AVR 的晶片上精準參考來源。 此來源的電壓會隨著指定元件而變動，但通常為 1.1 V（適用於 ATmega168 或 ATmega328）或 2.56 V（ATmega8 和 Mega 系列）。 在外部模式中，則可透過 5 K 電阻將外部參考電壓連接到 AREF 引腳。 AREF 引腳具有內部 32K 防護電阻，能協同外接 5K 電阻當作分壓器使用。 因此，舉例而言，透過電阻施加 2.5 V 電壓，則可在 AREF 引腳上產生 2.5 * 32 / (32 + 5) = 約 2.2 V。

使用 Arduino 程式語言讀取類比電壓的流程涵蓋使用 analogReference(type) 選擇參考來源，接著調用讀取 analogRead(pin)，(pin) 在此意指要取樣的排針座引腳數量。 選擇後，參考類型會保持恆定，除非有另外編程。 即使 AVR MCU 支援每秒高達 15k 取樣的轉換率，Arduino 硬體／軟體環境通常也會將轉換率限制在約每秒 10k 取樣。

建立 PWM 類比輸出

在 Arduino 的 PWM 引腳上產生類比電壓必須使用 pinMode(pin, mode) 命令，將所需的引腳配置成輸出，然後調用 analogWrite(pin, value)，(pin) 在此意指用來進行輸出的排針座引腳，(value) 意指要產生之參考電壓的分數（增量為 1/255）。 配置完成後，引腳會產生穩定的 490 Hz 方波，並具有指定的工作週期，直到下次呼叫 analogWrite() 為止（或呼叫相同引腳的 digitalRead() 或 digitalWrite() 為止）。

I/O 引腳能支援高達 40 mA 的驅動電流，因此能直接驅動中等尺寸的 LED 陣列。 若要用於更高功率的照明或 DC 馬達，可使用類比輸出驅動功率電晶體或橋接電路。 若要用於更高要求的應用，則可使用簡易的 R/C 網路進行輸出過濾， 然後當作放大器或電流來源的控制電壓。

更多類比訣竅

有些 AVR MCU（包括 MEGA8 和 MEGA168）皆內建比較器，能比較輸入電壓以及外部輸入、PWM 輸出產生的電壓或參考裝置的內部參考電壓。 比較器的輸出能進行輪詢或用來觸發中斷。 由於作業使用更多軟體，處理器可透過中斷驅動的配置感測到欠壓／過壓情況，而無需重複對類比通道進行取樣。 從可調閾值動作偵測器、衝擊感測器到生物醫療監測等眾多應用，這都相當有益。

對於 MCU 內部沒有比較器的 Arduino 板而言，這些板件具有「快速修復 (Kluge)」區域，能在此區域內輕鬆添加 LM741、LM339N、TLC3704 等外部元件。 若平台缺乏空間容納使用者提供的電路，則可透過低價的原型擴充卡（圖 3）自行新增。

圖 3：原型擴充卡可輕鬆將自訂的類比（或數位）I/O 加入到幾乎任何標準 Arduino 板中（資料來源：DigiKey）。

總結

Arduino 基於低成本和多功能的特色受到商業硬體開發人員的持續支持。 Arduino 硬體平台能發揮 Atmel ATmega 8 位元 MCU 系列元件的最大類比能力。 此系列 MCU 的所有型號皆搭載晶片上多通道類比數位轉換器 (ADC)。 本文的用意在於介紹構成 Arduino 類比功能基礎的硬體和軟體資源，並說明如何讓工程人員在未來的設計中使用這些功能。 為了達到此目標，本文探討類比輸入的讀取、PWM 類比輸出的建立，以及如何新增外部類比 I/O。 您可在透過本文內的連結，在 DigiKey 網站上取得更多有關 Arduino 產品的資訊。