本文提供了 ESP32 - ULP 協(xié)處理器如何在低功耗模式下讀片內(nèi)霍爾傳感器的例子

　　1. 霍爾傳感器

　　根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)電流垂直于磁場通過 N 型半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生附加電場，從而在半導(dǎo)體兩端形成電勢差，具體高低與電磁場的強(qiáng)度和電流大小有關(guān)。當(dāng)恒定電流穿過磁場或電流存在于恒定磁場時(shí)，霍爾效應(yīng)傳感器可用于測量磁場強(qiáng)度。霍爾傳感器的應(yīng)用場合非常廣泛，包括接近探測、定位、測速與電流檢測等。

　　2. 霍爾傳感器讀取示例

　　本例子 ULP 協(xié)處理器每隔 3 S 喚醒一次，喚醒后在低功耗模式下讀取霍爾傳感器值， 通過 hall phase shift 兩次，讀取 vp 和 vn 值 各兩次一共四個(gè)值，減去共模的部分可以得出 offset 值，這個(gè)值可以用來表征環(huán)境對霍爾傳感器的影響。如圖，第一次打印的數(shù)值是周圍未有強(qiáng)磁場的情況下測得的霍爾傳感器數(shù)值；第二次打印的數(shù)值是使用了一枚釹鐵硼磁鐵的 N 極接近 ESP32 時(shí)獲取的數(shù)值；第三次打印的數(shù)值是釹鐵硼磁鐵的 S 極接近 ESP32 時(shí)獲取的數(shù)值，可以看出霍爾傳感器的數(shù)值發(fā)生了較大的變化。

　　3. 系統(tǒng)連接

　　HALL SENSOR 和 SAR ADC 連接情況見下圖，HALL SENSOR 的 SENSOR_VP 和 SENSOR_VN 管腳分別連接到 SAR ADC1 的 SAR_MUX = 1 和 SAR_MUX = 4 上。

　　下表是 SAR ADC1 的輸入信號(hào)及 SAR_MUX 通道

　　信號(hào)名/GPIOSAR_ADC1，SAR_MUX

　　SENSOR_VP （GPIO36）1

　　SENSOR_CAPP （GPIO37）2

　　SENSOR_CAPN （GPIO38）3

　　SENSOR_VN （GPIO39）4

　　32K_XP （GPIO33）5

　　32K_XN （GPIO32）6

　　VDET_1 （GPIO34）7

　　VDET_2 （GPIO35）8

　　4. 編譯配置及燒錄程序

　　ESP32 的 C 語言編譯環(huán)境安裝和配置參照 鏈接地址，另外 ULP 協(xié)處理器目前只支持匯編編程，所以還需要安裝匯編工具鏈，下面介紹匯編工具鏈的安裝和配置。

　　4.1 匯編環(huán)境的配置

　　ULP 協(xié)處理器配置匯編編譯工具鏈，只需兩步即可安裝配置完畢，下面給出 ubuntu 操作系統(tǒng)下配置的步驟，或者點(diǎn)擊 鏈接地址 獲得更多 ULP 編程信息

　　第一步， 下載工具鏈 binutils-esp32ulp toolchain 鏈接地址， 解壓到需要安裝的目錄

　　第二步，添加工具鏈的 bin 目錄到系統(tǒng)環(huán)境變量 PATH 中。例如我的解壓目錄是 /opt/esp32ulp-elf-binutils 那么添加 export PATH=/opt/esp32ulp-elf-binutils/bin：$PATH 這一行到 /home 目錄的隱藏文件 .bashrc 文件最后一行，保存關(guān)閉文件并使用命令 source .bashrc 使上述環(huán)境變量生效

　　4.2 配置編譯燒錄

　　至此，匯編編譯環(huán)境就安裝好了，在 esp-iot-solution /examples/ulp_hall_sensor/ 目錄下依次運(yùn)行以下命令，進(jìn)行 default config 配置并編譯、燒錄程序。

　　make defconfig

　　make all -j8 && make flash monitor

　　5. 軟件分析

　　ULP 協(xié)處理器沒有內(nèi)置讀霍爾傳感器相關(guān)的匯編指令，所以我們需要設(shè)置相關(guān)寄存器來讀取片內(nèi)霍爾傳感器。

　　在 void init_ulp_program（） 函數(shù)中設(shè)置 ADC1 通道 1/2 輸入電壓衰減，用戶可以自己定義這個(gè)衰減值，較大的衰減將得到較小的 ADC 值。

　　/* The ADC1 channel 0 input voltage will be reduced to about 1/2 */

　　adc1_config_channel_atten（ADC1_CHANNEL_0， ADC_ATTEN_DB_6）;

　　/* The ADC1 channel 3 input voltage will be reduced to about 1/2 */

　　adc1_config_channel_atten（ADC1_CHANNEL_3， ADC_ATTEN_DB_6）;

　　/* ADC capture 12Bit width */

　　adc1_config_width（ADC_WIDTH_BIT_12）;

　　/* enable adc1 */

　　adc1_ulp_enable（）; 12345678

　　在超低功耗模式下，需要預(yù)先設(shè)置相關(guān)的寄存器之后才可以通過 SAR ADC1 來讀取 HALL SENSOR 值。

　　/* SENS_XPD_HALL_FORCE = 1， hall sensor force enable， XPD HALL is controlled by SW */

　　WRITE_RTC_REG（SENS_SAR_TOUCH_CTRL1_REG， SENS_XPD_HALL_FORCE_S， 1， 1）

　　/* RTC_IO_XPD_HALL = 1， xpd hall， Power on hall sensor and connect to VP and VN */

　　WRITE_RTC_REG（RTC_IO_HALL_SENS_REG， RTC_IO_XPD_HALL_S， 1， 1）

　　/* SENS_HALL_PHASE_FORCE = 1， phase force， HALL PHASE is controlled by SW */

　　WRITE_RTC_REG（SENS_SAR_TOUCH_CTRL1_REG， SENS_HALL_PHASE_FORCE_S， 1， 1）

　　/* RTC_IO_HALL_PHASE = 0， phase of hall sensor */

　　WRITE_RTC_REG（RTC_IO_HALL_SENS_REG， RTC_IO_HALL_PHASE_S， 1， 0）

　　/* SENS_FORCE_XPD_SAR， Force power up */

　　WRITE_RTC_REG（SENS_SAR_MEAS_WAIT2_REG， SENS_FORCE_XPD_SAR_S， 2， SENS_FORCE_XPD_SAR_PU）1234567891011121314

　　之后，使用 ADC 指令多次讀取片內(nèi)霍爾傳感器 phase_vp 和 phase_vn 的值，累加并計(jì)算平均值后，將霍爾傳感器值保存到 Sens_Vp0 ，Sens_Vn0 這兩變量中。

　　/* do measurements using ADC */

　　/* r2， r3 will be used as accumulator */

　　move r2， 0

　　move r3， 0

　　/* initialize the loop counter */

　　stage_rst

　　measure0：

　　/* measure Sar_Mux = 1 to get vp0 */

　　adc r0， 0， 1

　　add r2， r2， r0

　　/* measure Sar_Mux = 4 to get vn0 */

　　adc r1， 0， 4

　　add r3， r3， r1

　　/* increment loop counter and check exit condition */

　　stage_inc 1

　　jumps measure0， adc_oversampling_factor， lt

　　/* divide accumulator by adc_oversampling_factor.

　　Since it is chosen as a power of two， use right shift */

　　rsh r2， r2， adc_oversampling_factor_log

　　/* averaged value is now in r2; store it into Sens_Vp0 */

　　move r0， Sens_Vp0

　　st r2， r0， 0

　　/* r3 divide 4 which means rsh 2 bits */

　　rsh r3， r3， adc_oversampling_factor_log

　　/* averaged value is now in r3; store it into Sens_Vn0 */

　　move r1， Sens_Vn0

　　st r3， r1， 01234567891011121314151617181920212223242526272829303132

　　接下來，需要 shift 霍爾傳感器的 phase，設(shè)置寄存器 RTC_IO_HALL_SENS_REG 的 RTC_IO_HALL_PHASE 位置 1 ， 并再次讀取片內(nèi)霍爾傳感器 phase_vp 和 phase_vn 的值，同上，累加并計(jì)算平均值后，保存到 Sens_Vp1 ，Sens_Vn1 中。

　　/* RTC_IO_HALL_PHASE = 1， phase of hall sensor */

　　WRITE_RTC_REG（RTC_IO_HALL_SENS_REG， RTC_IO_HALL_PHASE_S， 1， 1）12

　　最后，在喚醒主 CPU 后，通過以上四個(gè)數(shù)值計(jì)算出 offset 的值并打印出來。

　　static void print_hall_sensor（）

　　{

　　printf（“ulp_hall_sensor:Sens_Vp0：%d，Sens_Vn0：%d，Sens_Vp1：%d，Sens_Vn1：%d\r\n”，

　　（uint16_t）ulp_Sens_Vp0，（uint16_t）ulp_Sens_Vn0，（uint16_t）ulp_Sens_Vp1，（uint16_t）ulp_Sens_Vn1）;

　　printf（“offset：%d\r\n”， （（uint16_t）ulp_Sens_Vp0 - （uint16_t）ulp_Sens_Vp1） - （（uint16_t）ulp_Sens_Vn0 - （uint16_t）ulp_Sens_Vn1））;

　　}123456

　　6. 總結(jié)

　　ESP32 中的霍爾傳感器經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可向低噪放大器和 SAR ADC 提供電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁場傳感功能。在超低功耗模式下，該傳感器可由 ULP 協(xié)處理器控制。ESP32 內(nèi)置了霍爾傳感器在位置傳感、接近檢測、測速以及電流檢測等應(yīng)用場景下成為一種極具吸引力的解決方案。