基于STM32的ADC

2024-07-09 12:53| 来源: 网络整理| 查看: 265

我们一些喜欢嵌入式的朋友一起建立的一个技术交流平台，本着大家一起互相学习的心态而建立，不太成熟，希望志同道合的朋友一起来。QQ群372991598 一、ADC简介（什么是ADC） STM32f103 系列有 3 个 ADC，精度为 12 位，每个 ADC 最多有 16 个外部通道。其中 ADC1 和 ADC2 都有 16 个外部通道，ADC3 根据 CPU 引脚的不同通道数也不同，一般都有 8 个外部通道。 ADC 的模式非常多，功能非常强大，下面我们就来分析ADC功能框图的每个部分。在这里插入图片描述 1：电压输入范围

ADC 输入范围为：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由 VREF-、VREF+ 、VDDA 、VSSA、这四个外部引脚决定。我们在设计原理图的时候一般把 VSSA 和 VREF- 接地，把 VREF+ 和 VDDA 接 3V3，得到 ADC 的输入电压范围为：0~3.3V。如果我们想让输入的电压范围变宽，去到可以测试负电压或者更高的正电压，我们可以在外部加一个电压调理电路，把需要转换的电压抬升或者降压到 0~3.3V，这样 ADC 就可以测量。

2：输入通道

我们确定好 ADC 输入电压之后，那么电压怎么输入到 ADC？这里我们引入通道的概念，STM32 的 ADC 多达 18 个通道，其中外部的 16 个通道就是框图中的 ADCx_IN0、ADCx_IN1…ADCx_IN5。这 16 个通道对应着不同的 IO 口，具体是哪一个 IO 口可以从手册查询到。其中 ADC1/2/3 还有内部通道：ADC1 的通道 16 连接到了芯片内部的温度传感器，Vrefint 连接到了通道 17。ADC2 的模拟通道 16 和 17 连接到了内部的 VSS。ADC3 的模拟通道 9、14、15、16 和 17 连接到了内部的 VSS。

在这里插入图片描述什么时候使用规则通道，什么时候使用注入通道？

规则通道规则通道：顾名思意，规则通道就是很规矩的意思，我们平时一般使用的就是这个通道，或者应该说我们用到的都是这个通道，没有什么特别要注意的可讲。

注入通道注入，可以理解为插入，插队的意思，是一种不安分的通道。它是一种在规则通道转换的时候强行插入要转换的一种通道。如果在规则通道转换过程中，有注入通道插队，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。这点跟中断程序很像，都是不安分的主。所以，注入通道只有在规则通道存在时才会出现。

4：转换顺序

规则序列规则序列寄存器有 3 个，分别为 SQR3、SQR2、SQR1。SQR3 控制着规则序列中的第一个到第六个转换，对应的位为：SQ1[4:0]~SQ6[4:0]，第一次转换的是位 4:0 SQ1[4:0]，如果通道 16 想第一次转换，那么在 SQ1[4:0] 写 16 即可。SQR2 控制着规则序列中的第 7 到第 12 个转换，对应的位为：SQ7[4:0]~SQ12[4:0]，如果通道 1 想第 8 个转换，则 SQ8[4:0] 写 1 即可。SQR1 控制着规则序列中的第 13 到第 16 个转换，对应位为：SQ13[4:0]~SQ16[4:0]，如果通道 6 想第 10 个转换，则 SQ10[4:0] 写 6 即可。具体使用多少个通道，由 SQR1 的位 L[3:0] 决定，最多 16 个通道。在这里插入图片描述注入序列

注入序列寄存器 JSQR 只有一个，最多支持 4 个通道，具体多少个由 JSQR 的 JL[1:0] 决定。如果 JL 的值小于 4 的话，则 JSQR 跟 SQR 决定转换顺序的设置不一样，第一次转换的不是 JSQR1[4:0]，而是 JCQRx[4:0] ，x = 4-JL），跟 SQR 刚好相反。如果 JL=00（1 个转换），那么转换的顺序是从 JSQR4[4:0] 开始，而不是从 JSQR1[4:0] 开始，这个要注意，编程的时候不要搞错。当 JL 等于 4 时，跟 SQR 一样。

5:触发源通道选好了，转换的顺序也设置好了，那接下来就该开始转换了。ADC 转换可以由 ADC 控制寄存器 2: ADC_CR2 的 ADON 这个位来控制，写 1 的时候开始转换，写 0 的时候停止转换，这个是最简单也是最好理解的开启 ADC 转换的控制方式，理解起来没啥技术含量。

6：转换时间

ADC 时钟 ADC 输入时钟 ADC_CLK 由 PCLK2 经过分频产生，最大是 14M，分频因子由 RCC 时钟配置寄存器 RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE[1:0] 设置，可以是 2/4/6/8 分频，注意这里没有 1 分频。一般我们设置 PCLK2=HCLK=72M。

采样时间 ADC 使用若干个 ADC_CLK 周期对输入的电压进行采样，采样的周期数可通过 ADC 采样时间寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP[2:0] 位设置，ADC_SMPR2 控制的是通道 0~9， ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是1.5 个，即如果我们要达到最快的采样，那么应该设置采样周期为 1.5 个周期，这里说的周期就是 1/ADC_CLK。 ADC 的转换时间跟 ADC 的输入时钟和采样时间有关，公式为：Tconv = 采样时间 + 12.5 个周期。当 ADCLK = 14MHZ（最高），采样时间设置为 1.5 周期（最快），那么总的转换时间（最短）Tconv = 1.5 周期 + 12.5 周期 = 14 周期 = 1us。一般我们设置 PCLK2=72M，经过 ADC 预分频器能分频到最大的时钟只能是 12M（Tconv = 采样时间（1/ADC_CLK） + 12.5 个周期），采样周期设置为 1.5 个周期，算出最短的转换时间为 1.17us，这个才是最常用的。

二、数据寄存器一切准备就绪后，ADC 转换后的数据根据转换组的不同，规则组的数据放在 ADC_DR 寄存器，注入组的数据放在 JDRx。

2.1 规则数据寄存器 ADC 规则组数据寄存器 ADC_DR 只有一个，是一个 32 位的寄存器，低 16 位在单 ADC 时使用，高 16 位是在 ADC1 中双模式下保存 ADC2 转换的规则数据，双模式就是 ADC1 和 ADC2 同时使用。在单模式下，ADC1/2/3 都不使用高 16 位。因为 ADC 的精度是 12 位，无论 ADC_DR 的高 16 或者低 16 位都放不满，只能左对齐或者右对齐，具体是以哪一种方式存放，由 ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。规则通道可以有 16 个这么多，可规则数据寄存器只有一个，如果使用多通道转换，那转换的数据就全部都挤在了 DR 里面，前一个时间点转换的通道数据，就会被下一个时间点的另外一个通道转换的数据覆盖掉，所以当通道转换完成后就应该把数据取走，或者开启 DMA 模式，把数据传输到内存里面，不然就会造成数据的覆盖。最常用的做法就是开启 DMA 传输

2.2 注入数据寄存器 ADC 注入组最多有 4 个通道，刚好注入数据寄存器也有 4 个，每个通道对应着自己的寄存器，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。ADC_JDRx 是 32 位的，低 16 位有效，高 16 位保留，数据同样分为左对齐和右对齐，具体是以哪一种方式存放，由 ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

三、中断 3.1 转换结束中断数据转换结束后，可以产生中断，中断分为三种：规则通道转换结束中断，注入转换通道转换结束中断，模拟看门狗中断。其中转换结束中断很好理解，跟我们平时接触的中断一样，有相应的中断标志位和中断使能位，我们还可以根据中断类型写相应配套的中断服务程序。

3.2 模拟看门狗中断当被 ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就会产生中断，前提是我们开启了模拟看门狗中断，其中低阈值和高阈值由 ADC_LTR 和 ADC_HTR 设置。例如我们设置高阈值是 2.5V，那么模拟电压超过 2.5V 的时候，就会产生模拟看门狗中断，反之低阈值也一样。

3.3 DMA请求规则和注入通道转换结束后，除了产生中断外，还可以产生 DMA 请求，把转换好的数据直接存储在内存里面。要注意的是只有 ADC1 和 ADC3 可以产生 DMA 请求。有关 DMA 请求需要配合《STM32F10X-中文参考手册》DMA 控制器这一章节来学习。一般我们在使用 ADC 的时候都会开启 DMA 传输。

四、电压转换（公式）模拟电压经过 ADC 转换后，是一个 12 位的数字值，如果通过串口以 16 进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压，也可以跟实际的模拟电压（用万用表测）对比，看看转换是否准确。

我们一般在设计原理图的时候会把 ADC 的输入电压范围设定在：0~3.3v，因为 ADC 是 12 位的，那么 12 位满量程对应的就是 3.3V，12 位满量程对应的数字值是：2^12。数值 0 对应的就是 0V。如果转换后的数值为 X ，X 对应的模拟电压为 Y，那么会有这么一个等式成立： 2^12 / 3.3 = X/ Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。五、ADC读取电压的软件设计（多通道DMA读取） 5.1 编程要点初始 ADC 用到的 GPIO；设置 ADC 的工作参数并初始化；设置 ADC 工作时钟；设置 ADC 转换通道顺序及采样时间；配置使能 ADC 转换完成中断，在中断内读取转换完数据；使能 ADC；使能软件触发 ADC 转换 5.2 标准库配置ADC的GPIO口以及ADC外设（开启DMA）

__IO uint16_t ADC_ConvertedValue[NOFCHANEL]={0,0,0,0}; /** * @brief ADC GPIO 初始化 * @param 无 * @retval 无 */ static void ADCx_GPIO_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 打开 ADC IO端口时钟 ADC_GPIO_APBxClock_FUN ( ADC_GPIO_CLK, ENABLE ); // 配置 ADC IO 引脚模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN1| ADC_PIN2| ADC_PIN3| ADC_PIN4| ADC_PIN5| ADC_PIN6; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 初始化 ADC IO GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure); } /** * @brief 配置ADC工作模式 * @param 无 * @retval 无 */ static void ADCx_Mode_Config(void) { DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; // 打开DMA时钟 RCC_AHBPeriphClockCmd(ADC_DMA_CLK, ENABLE); // 打开ADC时钟 ADC_APBxClock_FUN ( ADC_CLK, ENABLE ); // 复位DMA控制器 DMA_DeInit(ADC_DMA_CHANNEL); // 配置 DMA 初始化结构体 // 外设基址为：ADC 数据寄存器地址 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ( u32 ) ( & ( ADC_x->DR ) ); // 存储器地址 DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)ADC_ConvertedValue; // 数据源来自外设 DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; // 缓冲区大小，应该等于数据目的地的大小 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = NOFCHANEL; // 外设寄存器只有一个，地址不用递增 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 存储器地址递增 DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 外设数据大小为半字，即两个字节 DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 内存数据大小也为半字，跟外设数据大小相同 DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // 循环传输模式 DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // DMA 传输通道优先级为高，当使用一个DMA通道时，优先级设置不影响 DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; // 禁止存储器到存储器模式，因为是从外设到存储器 DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; // 初始化DMA DMA_Init(ADC_DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure); // 使能 DMA 通道 DMA_Cmd(ADC_DMA_CHANNEL , ENABLE); // ADC 模式配置 // 只使用一个ADC，属于单模式 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 扫描模式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE ; // 连续转换模式 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // 不用外部触发转换，软件开启即可 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 转换结果右对齐 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 转换通道个数 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = NOFCHANEL; // 初始化ADC ADC_Init(ADC_x, &ADC_InitStructure); // 配置ADC时钟Ｎ狿CLK2的8分频，即9MHz RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8); // 配置ADC 通道的转换顺序和采样时间 ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL1, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL2, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL3, 3, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL4, 4, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL5, 5, ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL6, 6, ADC_SampleTime_55Cycles5); // 使能ADC DMA 请求 ADC_DMACmd(ADC_x, ENABLE); // 开启ADC ，并开始转换 ADC_Cmd(ADC_x, ENABLE); // 初始化ADC 校准寄存器 ADC_ResetCalibration(ADC_x); // 等待校准寄存器初始化完成 while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_x)); // ADC开始校准 ADC_StartCalibration(ADC_x); // 等待校准完成 while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC_x)); // 由于没有采用外部触发，所以使用软件触发ADC转换 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_x, ENABLE); }

主函数初始化，循环读取ADC多通道的值

/** * @brief 主函数 * @param 无 * @retval 无 */ int main(void) { // 配置串口 USART_Config(); // ADC 初始化 ADCx_Init(); printf("\r\n ----这是一个ADC多通道采集实验----\r\n"); while (1) { ADC_ConvertedValueLocal[0] =(float) ADC_ConvertedValue[0]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[1] =(float) ADC_ConvertedValue[1]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[2] =(float) ADC_ConvertedValue[2]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[3] =(float) ADC_ConvertedValue[3]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[4] =(float) ADC_ConvertedValue[4]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[5] =(float) ADC_ConvertedValue[5]/4096*3.3; printf("\r\n CH0 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[0]); printf("\r\n CH1 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[1]); printf("\r\n CH2 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[2]); printf("\r\n CH3 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[3]); printf("\r\n CH4 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[4]); printf("\r\n CH5 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[5]); printf("\r\n\r\n"); Delay(0xffffee); } }

5.3 HAL库

__IO uint16_t ADC_ConvertedValue[NOFCHANEL]={0,0,0,0}; DMA_HandleTypeDef hdma_adcx; ADC_HandleTypeDef ADC_Handle; ADC_ChannelConfTypeDef ADC_Config; static void Rheostat_ADC_GPIO_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RHEOSTAT_ADC_CLK_ENABLE(); // 使能 GPIO 时钟 RHEOSTAT_ADC_GPIO_CLK_ENABLE(); // 配置 IO GPIO_InitStructure.Pin =ADC_PIN1| ADC_PIN2| ADC_PIN3| ADC_PIN4| ADC_PIN5| ADC_PIN6; GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL ; //不上拉不下拉 HAL_GPIO_Init(RHEOSTAT_ADC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); } static void Rheostat_ADC_Mode_Config(void) { // ------------------DMA Init 结构体参数初始化-------------------------- // 开启DMA时钟 RHEOSTAT_ADC_DMA_CLK_ENABLE(); // 数据传输通道 hdma_adcx.Instance = RHEOSTAT_ADC_DMA_STREAM; hdma_adcx.Init.Direction=DMA_PERIPH_TO_MEMORY; //存储器到外设 hdma_adcx.Init.PeriphInc=DMA_PINC_DISABLE; //外设非增量模式 hdma_adcx.Init.MemInc=DMA_MINC_ENABLE; //存储器增量模式 hdma_adcx.Init.PeriphDataAlignment=DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; //外设数据长度:16位 hdma_adcx.Init.MemDataAlignment=DMA_MDATAALIGN_HALFWORD; //存储器数据长度:16位 hdma_adcx.Init.Mode= DMA_CIRCULAR; //外设普通模式 hdma_adcx.Init.Priority=DMA_PRIORITY_MEDIUM; //中等优先级 HAL_DMA_Init(&hdma_adcx); __HAL_LINKDMA( &ADC_Handle,DMA_Handle,hdma_adcx); //--------------------------------------------------------------------------- RCC_PeriphCLKInitTypeDef ADC_CLKInit; // 开启ADC时钟 ADC_CLKInit.PeriphClockSelection=RCC_PERIPHCLK_ADC; //ADC外设时钟 ADC_CLKInit.AdcClockSelection=RCC_ADCPCLK2_DIV6; //分频因子6时钟为72M/6=12MHz HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&ADC_CLKInit); //设置ADC时钟 ADC_Handle.Instance=RHEOSTAT_ADC; ADC_Handle.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT; //右对齐 ADC_Handle.Init.ScanConvMode=ENABLE; //非扫描模式 ADC_Handle.Init.ContinuousConvMode=ENABLE; //连续转换 ADC_Handle.Init.NbrOfConversion=NOFCHANEL ; //1个转换在规则序列中也就是只转换规则序列1 ADC_Handle.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE; //禁止不连续采样模式 ADC_Handle.Init.NbrOfDiscConversion=0; //不连续采样通道数为0 ADC_Handle.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START; //软件触发 HAL_ADC_Init(&ADC_Handle); //初始化 //--------------------------------------------------------------------------- ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL1; ADC_Config.Rank = 1; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); //--------------------------------------------------------------------------- ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL2; ADC_Config.Rank = 2; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); //--------------------------------------------------------------------------- ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL3; ADC_Config.Rank = 3; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); //--------------------------------------------------------------------------- ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL4; ADC_Config.Rank = 4; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); //--------------------------------------------------------------------------- ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL5; ADC_Config.Rank = 5; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); //--------------------------------------------------------------------------- ADC_Config.Channel = ADC_CHANNEL6; ADC_Config.Rank = 6; // 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期 HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config); HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t*)&ADC_ConvertedValue, 5); }

主函数初始化，循环读取ADC多通道的值

while (1) { ADC_ConvertedValueLocal[0] =(float) ADC_ConvertedValue[0]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[1] =(float) ADC_ConvertedValue[1]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[2] =(float) ADC_ConvertedValue[2]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[3] =(float) ADC_ConvertedValue[3]/4096*3.3; ADC_ConvertedValueLocal[4] =(float) ADC_ConvertedValue[4]/4096*3.3; printf("\r\n CH0 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[0]); printf("\r\n CH1 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[1]); printf("\r\n CH2 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[2]); printf("\r\n CH3 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[3]); printf("\r\n CH4 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[4]); Delay(0xffffee); printf("\r\n\r\n"); }

我们一些喜欢嵌入式的朋友一起建立的一个技术交流平台，本着大家一起互相学习的心态而建立，不太成熟，希望志同道合的朋友一起来。QQ群372991598

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