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瑞萨RA4L1 实现 ADC 水位监测

本文介绍了 RA4L1 开发套件和瑞萨 e2 Studio 灵活软件包（FSP）实现 ADC 水位检测的工程设计，工程快速构建等流程。

简介

包括主控和开发板的基本参数和特点介绍。

主控

开发板主控型号为 R7FA4L1BD4CFP

RA4L1 概览

瑞萨电子 RA4L1 MCU 产品组，低功耗 32 位微控制器 (MCU)，基于支持 TrustZone® 的 Arm® Cortex®-M33 (CM33) 内核，实现了低工作电压、低功耗与高性能的理想平衡。 RA4L1 的工作电压低至 1.6V，待机电流低至 1.65µA，并具有多种低功耗功能，可根据应用要求实现动态优化功耗/性能。

RA4L1 MCU 具有低功耗功能，例如段码 LCD 显示驱动器和高级安全引擎，以及 RTC、ADC 和定时器。 该系列MCU 集成了 CAN FD、USB 2.0 FS、I2C/I3C 和低功耗 UART 等通信接口，适用于工业自动化、家电、智能家居、消费品、楼宇/家居自动化和医疗等应用。

RA4L1 提供一系列标准 LQFP 和 QFN 封装选项，以及多种节省尺寸的 BGA 和 CSP 选项，可支持 -40 到 125 °C 的工作温度。 支持瑞萨灵活软件包 (FSP) 和整套的软硬件开发工具的全面支持。

详见：RA4L1 - Renesas 瑞萨电子 .

开发套件

RA4L1-SENSOR 套件基于瑞萨 RA4L1 系列微控制器，完美实现了低工作电压、低功耗与高性能之间的理想平衡。RA4L1 微控制器具备多种低功耗功能，包括段码 LCD 显示驱动器、高级安全引擎、RTC、ADC、定时器和低功耗UART 等通信接口，用户可以根据具体应用需求灵活优化功耗与性能的平衡。这使其成为工业自动化、家电、智能家居、消费电子、楼宇自动化以及医疗保健等领域的理想选择。

该套件还包括传感器（SENSOR）系列接口、Arduino Uno扩展接口，并提供对微控制器所有引脚的通孔访问，大大提升了系统的扩展性，助力开发者在高效、灵活的开发环境中进行创新设计。

管脚定义

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bottom view

详见：RA4L1: 瑞萨 RA4L1(R7FA4L1BD4CFP#BA0) - Gitee.com

环境搭建

这里使用 Renesas 瑞萨 e2 studio 开发工具，

下载 FSP (flexible software package) 软件包 并安装。

FSP 安装程序内包含 e² studio 集成开发环境、工具链和 FSP 软件包。

ADC 串口输出

介绍了 RA4L1 实现 ADC 模拟电压采集，并通过串口输出。

创建工程

打开 e2 studio 软件

依次点击 文件 - 新建 - 瑞萨 C/C++ 项目 - Renesas RA

依次进行工程命名，路径设置，FSP版本，目标开发板选择，Device 选择 R7FA4L1BD4CFP ，工具链选择 GNU ARM Embedded

完成工程创建

ADC 读取

介绍了工程新建与 ADC 单通道采集电压的实现。

参考：e2studio开发RA4L1(16)----ADC单通道采集电压-CSDN博客

串口配置

新建串口通信堆栈

New Stack - Connectivity - UART (r_sci_uart)

属性设置

属性 - Module g_uart9 UART (r_sci_uart) - General 、Baud、Interrupts 设置

注意中断 - 回调函数设置

ADC配置

新建ADC堆栈

New Stack - Analog - ADC (r_adc)

属性配置

General 选项下设置 ADC 单次扫描

Input 选项下勾选 Channel25，配置中断与回调函数

ADC 及串口配置完成后，构建工程，确保无误。

代码

修改主函数代码，实现 ADC 采集与重定向串口打印输出。

完整 hal_entry.c 代码

#include "hal_data.h"
#include <stdio.h>

FSP_CPP_HEADER
void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event);
FSP_CPP_FOOTER

fsp_err_t err = FSP_SUCCESS;
volatile bool uart_send_complete_flag = false;
void user_uart_callback (uart_callback_args_t * p_args)
{
    if(p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE)
    {
        uart_send_complete_flag = true;
    }
}

/*------------- 串口重定向 -------------*/
#ifdef __GNUC__
    #define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else

#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE
{
        err = R_SCI_UART_Write(&g_uart9_ctrl, (uint8_t *)&ch, 1);
        if(FSP_SUCCESS != err) __BKPT();
        while(uart_send_complete_flag == false){}
        uart_send_complete_flag = false;
        return ch;
}

int _write(int fd,char *pBuffer,int size)
{
    for(int i=0;i<size;i++)
    {
        __io_putchar(*pBuffer++);
    }
    return size;
}

volatile bool scan_complete_flag = false;
void adc_callback (adc_callback_args_t * p_args)
{
    //宏将告知编译器回调函数不使用参数 p_args，从而避免编译器发出警告，
    FSP_PARAMETER_NOT_USED(p_args);
    scan_complete_flag = true;
}

void hal_entry(void)
{
    /* TODO: add your own code here */
    /* Open the transfer instance with initial configuration. */
    err = R_SCI_UART_Open(&g_uart9_ctrl, &g_uart9_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    printf("hello world!\n");

    /* Initializes the module. */
    err = R_ADC_Open(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_cfg);
    /* Handle any errors. This function should be defined by the user. */
    assert(FSP_SUCCESS == err);

    /* Enable channels. */
    err = R_ADC_ScanCfg(&g_adc0_ctrl, &g_adc0_channel_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);

    while(1)
    {
        uint16_t adc_data25=0;
        double a25;
        /* Enable scan triggering from ELC events. */
        (void) R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
        scan_complete_flag = false;
        while (!scan_complete_flag)
        {
            /* Wait for callback to set flag. */
        }

        err = R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_25, &adc_data25);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        a25=(double)(adc_data25/4095.0)*3.3;
        printf("P510(AN25)=%d,voltage=%f\n",adc_data25,a25);

        R_BSP_SoftwareDelay (1000, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    }


#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    /* Enter non-secure code */
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

void R_BSP_WarmStart(bsp_warm_start_event_t event)
{
    if (BSP_WARM_START_RESET == event)
    {
#if BSP_FEATURE_FLASH_LP_VERSION != 0

        /* Enable reading from data flash. */
        R_FACI_LP->DFLCTL = 1U;
#endif
    }

    if (BSP_WARM_START_POST_C == event)
    {
        /* C runtime environment and system clocks are setup. */

        /* Configure pins. */
        R_IOPORT_Open (&IOPORT_CFG_CTRL, &IOPORT_CFG_NAME);

#if BSP_CFG_SDRAM_ENABLED

        /* Setup SDRAM and initialize it. Must configure pins first. */
        R_BSP_SdramInit(true);
#endif
    }
}

#if BSP_TZ_SECURE_BUILD

FSP_CPP_HEADER
BSP_CMSE_NONSECURE_ENTRY void template_nonsecure_callable ();

BSP_CMSE_NONSECURE_ENTRY void template_nonsecure_callable ()
{

}
FSP_CPP_FOOTER

#endif

保存文件，构建工程，使用 J-Link 调试和上传固件。

效果演示

分别演示了 A0 引脚悬空、接地、接 3V3 的 ADC 采集与电压串口输出。

A0 悬空

A0 接地

A0 连接 GND，输出电压值约为 0

可见此时 P510(AN25) 输出最小值为 0

A0 接 3V3

A0 连接 3V3 ，输出电压值为 3.30 V

可见此时 P510(AN25) 输出最大值为 4095

水位传感器

水位传感器（Water Sensor）可以检测水位高度（检测高度：0 - 40 mm），亦可用作雨滴传感器，用于各种天气状况的监测，检测是否下雨及雨量的大小，广泛应用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统等。

模块简介

当模块上电，电源指示 LED 点亮；

工作电压：DC 3.3V - 5V ；

输出类型：模拟信号；

传感器具有 10 条裸露的铜线，其中 5 条是电源铜线，另外 5 条是感测铜线。

走线隔行平行排列，每两条电源铜线间有一条感测铜线。

引脚定义

S（信号）为模拟输出；

+（VCC）为传感器供电；

–（GND）为接地。

运行原理

当平行铜线之间有水时，水浸没的高度不同，电流不同。 铜线间的电阻根据水位的变化而变化。

电阻与水的高度成反比（传感器浸水越深，导电性越好，电阻越小，电流越大）。

参考：水位传感器如何工作并与Arduino接口 - 知乎

因此根据 ADC 测量传感器输出的电压，便可以确定水位。

模块原理图

硬件连接

将水位传感器的模拟输出引脚 S 与开发板的 A0 相连，正负极分别与开发板的 3V3 和 GND 相连，示意图如下

A0 引脚对应 MCU 的 adc_channel_25

绘图工具：Cirkit Designer IDE , Fritzing .

水位校准

由于各地的水质差异，导电性能不同，因此需要根据实际情况进行校准。

多次校准，取平均值；

每次校正前，需将 PCB 表面的平行铜线擦干，待测得电压为 0 时再置入水中，记录水位值和电压值。

校准数据采集

水位 10 毫米，相应的串口输出电压为 1.25 伏特

实际水位 22 毫米，相应的串口输出电压为 1.65 伏特

实际水位 37 毫米，相应的串口输出电压为 1.84 伏特

假设 ADC 读取电压（V）与水位高度（mm）为线性相关关系，对上述数据进行拟合

获得拟合表达式 y = 41.774 x - 38.686

这里使用 Excel 软件对数据进行拟合

代码

在代码中添加相应的水位高度定义

while(1)
{
        uint16_t adc_data25=0;
        double a25,wl; // define wl (water level)
        (void) R_ADC_ScanStart(&g_adc0_ctrl);
        scan_complete_flag = false;
        while (!scan_complete_flag)
        {
        }

        err = R_ADC_Read(&g_adc0_ctrl, ADC_CHANNEL_25, &adc_data25);
        assert(FSP_SUCCESS == err);
        a25=(double)(adc_data25/4095.0)*3.3;
        wl = (double)(41.774 * a25 - 38.686); // water level definition equation
        printf("P510(AN25)=%d, voltage=%f, water level=%f mm\n",adc_data25,a25,wl); // print water level (mm)

        R_BSP_SoftwareDelay (1000, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
}

保存代码，重新构建工程，调试工程，上传工程至开发板；

打开串口助手，连接目标串口对应的设备端口号，打开串口，获取实时 ADC 电压值和水位值。

效果演示

结果分析

经过多次测量，可以获得较为理想的检测结果。

此外，校准和测量过程中发现 ADC 采集的电压值会随时间逐渐减小，可能原因是

PCB 板被液体浸润，液体表面张力导致初始时刻覆盖更大面积的铜板，电阻较小，输出电压较大；

随着时间推移，表面张力被克服，PCB板液面覆盖面积逐渐平稳下降，此时电压也逐渐减小，最后趋于稳定(类似“海水退潮”)。

总结

本文介绍了 RA4L1 开发套件和瑞萨 e2 Studio 灵活软件包（FSP）实现 ADC 水位检测的工程设计，工程快速构建，包括 ADC 采集、串口打印电压值、水位传感器、运行原理、硬件连接、水位校准、代码、效果展示等流程，为瑞萨单片机 ADC 的相关产品设计和快速应用提供了参考。