2. ADC通道精度校准测试

任务目标

在ESP32量产测试中，ADC通道的精度直接影响产品测量类功能的可靠性。本案例使用可调精密电压源（或高精度稳压模块）作为已知输入，连接至ESP32的多个ADC通道，通过采集数据与实际电压比较，计算各通道的误差，并依据预设允许范围判定通道是否合格。

环境与依赖

  • 硬件：ESP32开发板（如ESP32-DevKitC）、可调精密电压源（0~3.3V，精度≥0.1%）、万用表（用于校准电压源输出）
  • 软件：ESP-IDF v5.x 或 Arduino ESP32 核心（本案例使用ESP-IDF风格代码，Arduino环境需调整头文件与初始化方式）
  • 接线：电压源输出接至ADC通道引脚（如GPIO34/ADC1_CH6、GPIO35/ADC1_CH7、GPIO36/ADC1_CH0），GND共地

实现原理

ESP32的ADC为12位分辨率，理论满量程对应0~3.3V（实际受衰减与参考电压影响存在非线性）。本案例采用多点校准法：对每个通道输入3个已知电压点（如0.5V、1.5V、2.5V），读取ADC原始值并转换为电压，计算每个点的误差与相对误差，取最大误差作为该通道的判定依据。允许范围设定为±2%（相对误差）或±30mV（误差），取两者中较大者作为阈值。

关键完整代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/adc.h"
#include "esp_adc_cal.h"

#define NUM_CHANNELS 3
#define NUM_POINTS   3

// 待测通道配置（ADC1）
static const adc1_channel_t channels[NUM_CHANNELS] = {
    ADC1_CHANNEL_6,  // GPIO34
    ADC1_CHANNEL_7,  // GPIO35
    ADC1_CHANNEL_0   // GPIO36
};

// 已知标准电压（单位：mV）
static const int standard_mv[NUM_POINTS] = {500, 1500, 2500};

// 允许误差：相对2%或30mV，取较大者
static const float max_rel_err = 0.02f;
static const int   max_abs_err_mv = 30;

static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars;

// 读取单通道多次采样取平均
static uint32_t read_adc_avg(adc1_channel_t ch, int samples) {
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < samples; i++) {
        sum += adc1_get_raw(ch);
    }
    return sum / samples;
}

// 测试单个通道在所有标准电压点下的误差
static void test_channel(adc1_channel_t ch, int ch_idx) {
    float max_err_mv = 0.0f;
    int raw_val;
    uint32_t voltage_mv;

    printf("--- Channel %d (GPIO%d) ---\n", ch_idx, 
           (ch == ADC1_CHANNEL_6) ? 34 : (ch == ADC1_CHANNEL_7) ? 35 : 36);

    for (int i = 0; i < NUM_POINTS; i++) {
        // 提示用户设置电压源
        printf("Set source to %d mV, then press Enter...", standard_mv[i]);
        getchar();  // 等待用户确认电压已设置

        raw_val = read_adc_avg(ch, 32);
        voltage_mv = esp_adc_cal_raw_to_voltage(raw_val, &adc_chars);

        float abs_err = (float)voltage_mv - standard_mv[i];
        float rel_err = abs_err / standard_mv[i];
        float allowed = (standard_mv[i] * max_rel_err > max_abs_err_mv) ? 
                        standard_mv[i] * max_rel_err : max_abs_err_mv;

        printf("  Std=%4d mV, Raw=%4d, Meas=%4d mV, AbsErr=%+6.1f mV, RelErr=%+5.2f%%\n",
               standard_mv[i], raw_val, voltage_mv, abs_err, rel_err * 100);

        if (abs_err > allowed || abs_err < -allowed) {
            printf("  -- FAIL (exceeds tolerance)\n");
            return;
        }
        if (abs_err > max_err_mv) max_err_mv = abs_err;
    }

    printf("  PASS (max abs err: %.1f mV)\n", max_err_mv);
}

void app_main(void) {
    // 初始化ADC1，衰减11dB（量程约0~3.3V）
    adc1_config_width(ADC_WIDTH_BIT_12);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_6, ADC_ATTEN_DB_11);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_7, ADC_ATTEN_DB_11);
    adc1_config_channel_atten(ADC1_CHANNEL_0, ADC_ATTEN_DB_11);

    // 校准特性（使用eFuse中存储的Vref）
    esp_adc_cal_characterize(ADC_UNIT_1, ADC_ATTEN_DB_11, ADC_WIDTH_BIT_12, 1100, &adc_chars);

    printf("ADC Channel Calibration Test\n");
    printf("Set voltage source to 0V before starting.\n");
    printf("Press Enter to begin...\n");
    getchar();

    for (int i = 0; i < NUM_CHANNELS; i++) {
        test_channel(channels[i], i);
    }

    printf("All channels tested.\n");
}

编译与运行

  1. 在ESP-IDF环境中创建项目，将上述代码保存为 main.c，替换默认入口文件。
  2. 在项目根目录执行 idf.py set-target esp32 和 idf.py build 完成编译。
  3. 使用 idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash monitor 烧录并打开串口监视器（波特率115200）。

验证方法与判定标准

  • 程序启动后，先将电压源输出调至0V，按回车开始测试。
  • 每个测试点会提示设置指定电压，使用万用表确认电压源输出准确后按回车。
  • 观察串口输出：每个通道在3个电压点下均显示 PASS，且无 FAIL 标记，则该通道精度合格。
  • 若某点误差超出允许范围（相对2%或30mV取大者），程序立即打印 FAIL 并跳过该通道后续测试。
  • 全部3个通道均通过，则判定该板ADC精度满足要求。

常见问题

  • 读数跳变较大：检查电源纹波，确保共地可靠；可增加采样次数（当前32次）或使用硬件平均。
  • 所有通道误差一致偏大：多为参考电压偏差，确认eFuse中Vref校准值是否有效；若无效需手动校准。
  • 高电压点（2.5V以上）误差增大：属ADC非线性特性，若超出允许范围需在固件中增加查表补偿。
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