【RA4L1-SENSOR】Home Assistant 物联网ADC电压表

本文介绍了瑞萨 RA4L1-SENSOR 开发板由 ADC 采集引脚电压数据，通过串口发送数据至 ATK D20 WiFi 模块，ATK-D20 模块将 MQTT 消息透传至 Home Assistant 平台，实现 HA 物联网电压表的项目设计。

项目介绍

介绍了瑞萨 RA4L1-SENSOR 开发板结合 ADC 功能实现电压测量，进一步结合 ATK-D20 模块实现物联网电压表的项目设计。

项目方案

1. 硬件连接：RA4L1-SENSOR 开发板和 ATK-D20 WiFi 模块的接线；
2. 流程图：代码和项目流程；
3. 工程代码：ADC 配置和主程序；
4. MQTT透传：包括 ATK-D20 模块 MQTT 透传配置、软件测试等；
5. 效果演示：包括接入 Home Assistant 平台、YAML 配置等。

项目框架

硬件连接

• 使用 Type-C 数据线连接开发板串口接线端和电脑，用以串口通信；
• 使用 J-LINK 调试器连接板载 SWD 调试端口；
• 连接 ATK-D20 模块

RA4L1	ATK-D20	Note
RXD1 (P608)	TX	Receive data
TXD1 (P115)	RX	Transmit data
GND	GND	Ground

实物图

流程图

工程创建

• 使用 e^2^ studio 软件和 FSP 快速创建目标工程，配置 UART、 ADC 和 LCD 堆栈，生成工程的基本架构；
• 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。

时钟配置

• 根据 MCU 外部硬件配置，设置晶振及时钟树；

LCD 堆栈

• 新建数码管 LCD 堆栈 New Stack - Graphics - Segment LCD (r_slcdc) ；

属性设置

• 选中 Segment LCD 堆栈，修改属性配置；
• 设置名称、LOCO 时钟源、(LOCO/SOSC)256 分频器、1/3偏压驱动、COM公共端、波形A、内部电压升压、VL1或VCC参考电压、0对比度。

引脚配置

• LCD 引脚配置；
• VL（Voltage Level）引脚用于提供 LCD 偏置电压，控制 LCD 的对比度和驱动电压。
• 在内部电压提升模式（Internal Voltage Boosting） 下，RA MCU 会自动产生 VL1、VL2、VL3、VL4 并提供给 LCD 作为驱动电压。
• 点击 Generate Project Content ，构建工程，确认 0 报错。

详见：【RA4L1-SENSOR】ADC温度的LCD 显示 .

工程代码

添加 LCD 数字显示库文件和主函数代码；

电压 LCD 显示

添加串口打印和ADC电压采集关键代码；

#include "hal_data.h"
#include <stdio.h>
#include "LCD_ShowNum.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;
    }
}
#ifdef __GNUC__                                 //串口重定向
    #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)
{
    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);

    /* Open SLCDC driver */
    err = R_SLCDC_Open(&g_slcdc0_ctrl, &g_slcdc0_cfg);
    /* Handle any errors. This function should be defined by the user. */
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    /* When using internal boost mode this delay is required to allow the boost circuit to charge. See RA4M1 User's
    * Manual (R01UH0887EJ0100) 8.2.18 "Segment LCD Source Clock Control Register (SLCDSCKCR)" for details. */
    R_BSP_SoftwareDelay(5, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
    /* Start SLCDC output */
    err = R_SLCDC_Start(&g_slcdc0_ctrl);
    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 = %fV\n",adc_data25,a25);
        
        uint16_t Num = a25 * 100; // convert to uint16_t style
        LCD_ShowNum(Num);
        R_BSP_SoftwareDelay (500, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);
        LCD_Clear();
    }

#if BSP_TZ_SECURE_BUILD
    R_BSP_NonSecureEnter();
#endif
}

• 保存代码，构建工程；
• 调试、上传固件。

效果

板载 LCD 屏显示 A5 引脚实时电压值

同时终端打印 ADC 原始值和相应的电压转换值

JSON

为了后面 MQTT 透传，将电压数据整理为 JSON 格式，代码如下

printf("{\"adc\": %u, \"volt\": %.3f}\r\n", adc_data25, a25);

效果

双串口输出

• 在工程配置中新增串口 Stacks 堆栈，回调函数命名为 user_uart1_callback ；
• 串口 1 对应引脚为 P608 (RXD) 和 P115 (TXD)

代码

/* 新增串口1回调 */
volatile bool uart1_send_complete_flag = false;
void user_uart1_callback(uart_callback_args_t *p_args)
{
    if (p_args->event == UART_EVENT_TX_COMPLETE)
        uart1_send_complete_flag = true;
}

while(1)
    {
        printf("{\"adc\": %u, \"volt\": %.3f}\r\n", adc_data25, a25);
        /* 新增：串口1打印 ****************/
            char buf[32];
            int  len = snprintf(buf, sizeof(buf), "{\"adc\": %u, \"volt\": %.3f}\r\n", adc_data25, a25);
            uart1_send_complete_flag = false;
            R_SCI_UART_Write(&g_uart1_ctrl, (uint8_t *)buf, len);
            while (!uart1_send_complete_flag) ;          // 等待发完
    }

效果

Home Assistant

为了实现物联网 ADC 电压表的设计，使用 ATK-D20 WiFi 模块，结合 MQTT 透传功能，实现 JSON 格式消息上传至 Home Assistant 智能家居平台。

ATK D20

这里使用 ATK-D20 WiFi DTU 模块实现串口 MQTT 透传。

ATK-D20 是由正点原子团队（ALIENTEK）自主研发的一款高性能 2.4GHz WiFi DTU 模块，主要用于实现串口设备通过 WiFi 无线方式接入网络。

• 模块支持 TCP、UDP、HTTP、MQTT、原子云等多种通信协议，支持 AT 指令控制、注册包、心跳包、Modbus 采集等功能，极大地方便了二次开发与系统集成。

详见：D20 WiFi DTU | 文档 .

MQTT 配置

• 检查硬件连接，打开 ATK-D2x 配置软件，打开串口；
• 进入左侧 模式配置 界面，工作模式选择 MQTT；
• 填写 MQTT 服务器用户名、密码、ip地址、订阅主题、发送主题等信息；
• 点击上方 保存所有参数 按钮，此时上位机自动发送 AT 指令，完成 MQTT 配置并自动重启；

详见：正点原子 D20 WiFi 模块 .

MQTTX

使用 MQTTX 软件测试串口透传与服务器转发。

• 打开 MQTTX 软件，新建连接；
• 填写 MQTT 服务器地址、用户名信息等，点击 Connect 按钮；
• 新建订阅主题，输入 ATK-D20 上位机对应的发布主题信息，如 homeassistant/sensor/adc/state；
• 窗口不断弹出接收到的 MQTT 服务器转发的电压等信息；

YAML 配置

配置 HA 平台的 YAML 文件，根据主题添加相关参数；

YAML 文件代码

mqtt:
  sensor:
    - name: "ADC 数值"
      state_topic: "homeassistant/adc/state"
      unit_of_measurement: "%"
      value_template: "{{ value_json.adc }}"
    - name: "ADC 电压"
      state_topic: "homeassistant/adc/state"
      unit_of_measurement: "%"
      value_template: "{{ value_json.volt }}"

进入 HA 概览页面，编辑仪表盘，添加对应的卡片即可；

总结

本文介绍了瑞萨 RA4L1-SENSOR 开发板由 ADC 采集引脚电压数据，通过串口发送数据至 ATK D20 WiFi 模块，ATK-D20 模块将 MQTT 消息透传至 Home Assistant 平台，实现 HA 物联网电压表的项目设计，为该产品在物联网领域的开发设计和快速应用提供了参考。