【STM32】ADC(模拟/数字转换)

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【STM32】ADC(模拟/数字转换)

2024-07-10 02:45| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、ADC的简介

1）PWM---》实际上就是使用DAC（数字-->模拟）。因为PWM只有完全断开和完全接通，所以在大功率电机中损耗很小，所以使用PWM比较合适。

2）规则阻和注入组：实际上就是可以一次性转换多个ADC值

3）当测量到的AD值超过某一个阈值的时候，就可以使用看门狗来申请中断，就可以在中断函数中执行相应的操作。

1.什么是ADC

1）将【电信号】-->【电压】-->【数字量】

2）ADC可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字量，建立模拟电路到数字电路的桥梁。

3）12位逐次逼近型ADC，1us转换时间（表示从产生电压到转换得出结果所使用的时间）

2.常见的ADC

3.并联比较型工作示意图

1）比较器：当两个数值相同时才会生成信号传输给编码器

2）D0,D1,D2（从低位--》高位）---》二进制数（分辨率）---》2^3

4.逐次逼近型工作示意图（DAC工作原理）

如果是n位的锁存缓冲器（数码控制器），就需要进行n次的判断

逐次逼近：就是如果是12位的DAC转换，则我们先将DAC赋值为2^12的一半，然后逐次的按照一半递减（增加）。所以12位DAC转换就需要比较12次。

如果DAC输出的电压比较小，就增大DAC

如果DAC输出的电压比较大，就减小DAC

直到DAC输出的电压和外部通道输入的电压近似相等，这样DAC输入的数据就是外部电压的编码数据

2）通道选择开关：通过输入的8路ADC来选择使用输入哪一路

CLOCK：ADC的转换是需要通过时间来进行逐步执行的

START：置为高电平表示此时要进行ADC转换

EOC：表示结束信号

Vref+/Vref-：这个是DAC的参考电压，同时也是ADC的参考电压（如果这个参考电压值越大，则表示ADC的范围越大）

5.ADC特性参数 1.分辨率：刻度划分

表示ADC能分辨的最小模拟量，用二进制位数进行表示，比如；8，10，12

比如此时电压为3.3V，我们使用12位进行表示 2^12=4096 3.3%4096=0.0008V,表示当数字量为1的时候，输出电压为0.0008V。

输入电压范围：0-3.3V，转换结果范围：0-4095（2^12）

2.转换时间

表示完成一次A/D转换所需要的时间，转换时间越短，采用频率就越高

假设1s的时间中转换时间为200ms，则表示可以转换5次

3.精度：物理量的精确程度

4.量化误差

6.STM32各系列ADC主要特性

7.ADC基本结构

二、ADC工作原理 1.ADC框图简介 1.参考电压/模拟部分电压

1）输入电压的范围在参考电压的两个范围之间。

2）Vref+和Vref-分别接着Vdda（3.3V）和Vssa（0V）【这两个参考电压同时也是DAC的参考电压范围】

2.输入通道

输入的GPIO必须具有模拟输入功能的IO口才可以。

GPIO通道：快速通道VS慢速通道

内部ADC源直接绑定，外部ADC绑定GPIO

18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源（温度传感器 && 内部的参考电压）

ADC1和ADC2两个的通道都使用同一个引脚。---->双ADC

3.转换序列（转换顺序）

1）转换被组织分为2组：规则组&&注入组【注入组可以打断规则组的转换】

2）规则组最多可以有16个转换（通道），注入组最多有4个转换（通道）【规则组一次性可以转换16个，但是只能】

规则组和注入组执行优先级对比

注入组（类似于中断）的优先级比规则组的优先级高

规则序列:（regular channel）

1）规则组有16个通道

2）这里的意思理解为，有16个规则通道，即为16个规则的不同编号的盘子，每个盘子可以放18个通道即为GPIO其中的一个口

3）必须按顺序来执行（如果想要执行通道3，则通道1和通道2都要执行）

4）我们有3个ADC，表示可以设置3个最高的优先级【可以同步进行】

5）一个菜单，可以点16个菜，也可以只写一个菜。【同时上16个菜，但是只能一个一个上（因为只有一个寄存器），否则前面会被覆盖--->所以我们使用DMA】

注入序列:（injected channel)

1）注入组有4个通道

2）注入组的寄存器写入位是反向写入的

3）一次性最多可以点4个菜，且可以同时上4个菜，不会被覆盖【因为有4个寄存器】

4.触发源

1）触发转换分为：a.ADON位触发转换 b.外部事件触发转换（规则组和注入组）

2）如果想要1ms进入一次中断来对ADC进行值的获取，我们可以使用TIM3的TIM3_TRGO，将TIM3设置为1ms进入，然后将TIM3的更新事件选择为TIM3_TRGO输出，然后在ADC这里，选择开始触发信号信号TIM3的TRGO，这样TIM3的更新事件就可以通过硬件自动的触发ADC转换。整个过程不需要进入中断。

规则组外部触发

注入组外部触发

5.转换时间/输入频率

如何设置ADC时钟？

1）ADCCLK的最大时钟频率是：14MHZ

如何设置ADC转换时间

1）ADC中的最短转换时间为：1us【在ADC时钟频率为：14MHZ，采样时间为1.5个ADC时钟周期，12.5个周期（固定值-->12位寄存器）的情况下】

2）采样时间（可以进行编程的）越大，就可以尽量避免毛刺信号的干扰，精确度越高

为什么会有采样时间？？

因为我们在获取ADC输入信号的时候，电压都是在不断的变化，无法准确的判断比较准确的电压。所以设置一个采样开关，先打开采样开关，收集一下外部的电压，使用一个小容量的电容存储器存储这个电压，存储好了后，断开采样开关，在进行后面的AD转换。这样在量化编码器件，电压始终不变。【在采样的过程中，需要闭合采样开关，等待一段时间】

6.数据寄存器

规则组只有一个寄存器，注入组有四个寄存器。在没有DMA的帮助下，规则组只能一次输入ADC，如果多几个，会被覆盖。

数据对齐

7.中断

1）我们会给数据寄存器中加入模拟看门狗，给看门狗添加阈值高限和低限，当寄存器中的数值超过阈值，则看门狗会叫，就会在上面，申请一个模拟看门狗的中断，然后通向NVIC

2）当我们的数据寄存器正常结束的时候也会给EOC（规则通道）和JEOC（注入通道）置上标志位，表示转换结束，然后通向NVIC，申请中断。

DMA请求（只适用于规则组）

规则组每一个通道转换结束后，除了可以产生中断外，还可以产生DMA请求，我们利用DMA及时把转换好的数据传输到指定的内存中，防止数据被覆盖。

2.单次转换模式VS连续转换模式

单次转换模式：如果我们不需要实时检测，则使用单次

连续转换模式：如果需要实时检测，则使用连续

3.转换/扫描模式

关闭扫描模式：只能扫描第一个通道

使用扫描模式：表示扫描全部通道

连续是一个通道多次采集，扫描是每个通道依次采集

不同模式组合的作用

扫描：切换通道(遍历)，连续：多次

单次转换，非扫描模式

当我们要使用通道2进行扫描，则直接触发ADC转换，然后当获取到数值后就，将数据放入数据寄存器中，然后将EOC位置1，表示此时转换结束。

单次转换，扫描模式

需要给通道数目，表示这个菜单中有多少个通道，当通道1转换结束后，需要使用DMA将这个通道1转移走，然后在继续下一个通道的读取，当整个菜单中的通道执行完后，才会将EOC置1表示转换结束。

连续转换，非扫描模式

这里不需要手动开启转换，当第一个转换通道2结束后，会自动的转换到下一个列表中进行下一个通道2的转换

连续转换模式

4.ADC校准

如果需要使用到精确计算，则需要校准

影响ADC转换的因素：

1）温飘（温度影响）

2）基准电压值

/*ADC校准 1）先重置校准位：ADC_ResetCalibration -->重置所选ADC校准寄存器。 2）判断校准位是否被清除: ADC_GetResetCalibrationStatus--> 获取所选ADC复位校准寄存器状态。 3）进行ADC校准: ADC_StartCalibration--->启动选定的ADC校准过程。 4）判断校准是否完成: ADC_GetCalibrationStatus-->获取所选ADC校准状态 */ ADC_ResetCalibration(ADC1); //固定流程，内部有电路会自动执行校准 while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//判断是否校准完成【1表示未完成校准】 ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET); 5.ADC与低功耗

外部引脚输入也会耗电--->采样时间

采样间隔周期

要采样则唤醒，不需要就进入睡眠。

三、ADC采集实验 1.实验简要

2.寄存器描述 1.ADC控制寄存器 1(ADC_CR1)

2.ADC控制寄存器 2(ADC_CR2)

3.ADC采样时间寄存器 1(ADC_SMPR1)

通道10-通道17的设置

4.ADC采样时间寄存器 2(ADC_SMPR2)

通道0-通道9的设置

5.ADC规则序列寄存器 1(ADC_SQR1)

设置第13-第16个转换

6.ADC规则序列寄存器 2(ADC_SQR2)

设置通道12-通道7

7.ADC规则序列寄存器 3(ADC_SQR3)

设置通道6-通道0

8.ADC规则数据寄存器(ADC_DR)

9.ADC状态寄存器(ADC_SR)

EOC：当规则组或者注入组转换结束后，会由硬件设置1表示此时转换结束并且已经将数据存放入数据寄存器中。当我们去读取数据寄存器中的数值后，硬件会自动将EOC置为0.

3.ADC采集实验配置步骤

1）开启RCC时钟，包括ADC和GPIO时钟，ADCCLK的分频器也需要配置【因为ADC的频率不能高于14MHZ，所以这里需要再一次分频】

2）配置GPIO，把需要用到的GPIO配置成模拟输入的模式

3）配置这里的多路开关，把左边的通道接入到右边的规则组列表中

4）配置ADC转换器，包括ADC是单次转换还是连续转换，扫描还是非扫描，有几个通道

5）如果需要模拟看门狗，有几个函数配置阈值和检测通道，如果想开启中断，就在中断输出控制里用ITConfig函数开启对应的中断输出，然后在NVIC中配置优先级，就可以触发中断。

6）开启开关控制，调用ADC_Cmd（）

相关HAL库介绍

关键结构体介绍 ADC句柄

ADC通道设置

四、AD单通道 1.硬件接线

通过控制接入的阻值来读取引脚上的电压值，来输出模拟信号

2.代码编写

1）ADC输入的通道对应的是GPIO的AIN（模拟输入）模式。【使用AIN模式，是因为在AIN模式下是断开GPIO，防止GPIO口的输入输出对模拟电压造成干扰】

2）我们在使用【ADC_GetConversionValue】的时候，内部会读取DR寄存器的值，而读取DR寄存器的值会自动清除EOC标志【所以我们在后面不需要手动清除】

adc.c /** * 函数：AD初始化 * 参数：无 * 返回值：无 */ void AD_Init(void) { /*开启时钟*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //开启ADC1的时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟 /*设置ADC时钟*/ RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //选择时钟6分频，ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz /*GPIO初始化*/ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA0引脚初始化为模拟输入 /*规则组通道配置*/ ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); //规则组序列1的位置，配置为通道0 /*ADC初始化*/ ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; //定义结构体变量 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //模式，选择独立模式，即单独使用ADC1 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据对齐，选择右对齐 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //外部触发，使用软件触发，不需要外部触发 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //连续转换，失能，每转换一次规则组序列后停止 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //扫描模式，失能，只转换规则组的序列1这一个位置 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //通道数，为1，仅在扫描模式下，才需要指定大于1的数，在非扫描模式下，只能是1 ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //将结构体变量交给ADC_Init，配置ADC1 /*ADC使能*/ ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能ADC1，ADC开始运行 /*ADC校准 1）先重置校准位：ADC_ResetCalibration -->重置所选ADC校准寄存器。 2）判断校准位是否被清除: ADC_GetResetCalibrationStatus--> 获取所选ADC复位校准寄存器状态。 3）进行ADC校准: ADC_StartCalibration--->启动选定的ADC校准过程。 4）判断校准是否完成: ADC_GetCalibrationStatus-->获取所选ADC校准状态 */ ADC_ResetCalibration(ADC1); //固定流程，内部有电路会自动执行校准 //我们上面手动的将该位置为1，表示此时要开始校准，当校准结束后硬件会自动清零，表示校准结束 while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//判断是否校准完成【1表示未完成校准】 ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET); } /** * 函数：获取AD转换的值 * 参数：无 * 返回值：AD转换的值，范围：0~4095 */ uint16_t AD_GetValue(void) { //启用或禁用所选ADC软件启动转换 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //软件触发AD转换一次 //判断ADC转换是否完成 /** 上面我们设置了【将时钟进行RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); 6分频--->则我们最后的结果为72 MHZ / 6= 12 然后我们设置ADC采用频率为【ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5)；55个时间周期，整个周期--->12.5+55=68个周期】则我们需要的时间是--->f=1/T=1/12 --》时间=f*周期=1/12*68=5.6us */ while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); //等待EOC标志位，即等待AD转换结束 //获取转换值，读取数据寄存器的置后，会自动清除EOC的位为0. return ADC_GetConversionValue(ADC1); //读数据寄存器，得到AD转换的结果 } main.c uint16_t ADValue; //定义AD值变量 float Voltage; //定义电压变量 int main(void) { /*模块初始化*/ OLED_Init(); //OLED初始化 AD_Init(); //AD初始化 /*显示静态字符串*/ OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:"); OLED_ShowString(2, 1, "Voltage:0.00V"); while (1) { ADValue = AD_GetValue(); //获取AD转换的值 Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3; //将AD值线性变换到0~3.3的范围，表示电压 OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4); //显示AD值 OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1); //显示电压值的整数部分 OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2); //显示电压值的小数部分 Delay_ms(100); //延时100ms，手动增加一些转换的间隔时间 } } 五、AD多通道

这里的AD多通道并没有使用到DMA进行数据的运输，而是使用【单次转换，非扫描模式】

如果我们使用多次转换，当一个序列中的多个通道转换结束后只会置EOC一次为1，所以我们并不知道每一个通道的转换结束时间，如果我们没有及时将一个通道产生的数据转移走，则会导致数据被覆盖。

1.硬件接线

2.代码编写 ad.c /** * 函数：AD初始化 * 参数：无 * 返回值：无 */ void AD_Init(void) { /*开启时钟*/ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //开启ADC1的时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟 /*设置ADC时钟*/ RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //选择时钟6分频，ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz /*GPIO初始化*/ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA0、PA1、PA2和PA3引脚初始化为模拟输入 /*不在此处配置规则组序列，而是在每次AD转换前配置，这样可以灵活更改AD转换的通道*/ /*ADC初始化*/ ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; //定义结构体变量 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //模式，选择独立模式，即单独使用ADC1 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据对齐，选择右对齐 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //外部触发，使用软件触发，不需要外部触发 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //连续转换，失能，每转换一次规则组序列后停止 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //扫描模式，失能，只转换规则组的序列1这一个位置 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //通道数，为1，仅在扫描模式下，才需要指定大于1的数，在非扫描模式下，只能是1 ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //将结构体变量交给ADC_Init，配置ADC1 /*ADC使能*/ ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能ADC1，ADC开始运行 /*ADC校准*/ ADC_ResetCalibration(ADC1); //固定流程，内部有电路会自动执行校准 while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET); ADC_StartCalibration(ADC1); while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET); } /** * 函数：获取AD转换的值 * 参数：ADC_Channel 指定AD转换的通道，范围：ADC_Channel_x，其中x可以是0/1/2/3 * 返回值：AD转换的值，范围：0~4095 */ uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel) { ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); //在每次转换前，根据函数形参灵活更改规则组的通道1 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //软件触发AD转换一次 while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); //等待EOC标志位，即等待AD转换结束 return ADC_GetConversionValue(ADC1); //读数据寄存器，得到AD转换的结果 }

main.c uint16_t AD0, AD1, AD2, AD3; //定义AD值变量 int main(void) { /*模块初始化*/ OLED_Init(); //OLED初始化 AD_Init(); //AD初始化 /*显示静态字符串*/ OLED_ShowString(1, 1, "AD0:"); OLED_ShowString(2, 1, "AD1:"); OLED_ShowString(3, 1, "AD2:"); OLED_ShowString(4, 1, "AD3:"); while (1) { AD0 = AD_GetValue(ADC_Channel_0); //单次启动ADC，转换通道0 AD1 = AD_GetValue(ADC_Channel_1); //单次启动ADC，转换通道1 AD2 = AD_GetValue(ADC_Channel_2); //单次启动ADC，转换通道2 AD3 = AD_GetValue(ADC_Channel_3); //单次启动ADC，转换通道3 OLED_ShowNum(1, 5, AD0, 4); //显示通道0的转换结果AD0 OLED_ShowNum(2, 5, AD1, 4); //显示通道1的转换结果AD1 OLED_ShowNum(3, 5, AD2, 4); //显示通道2的转换结果AD2 OLED_ShowNum(4, 5, AD3, 4); //显示通道3的转换结果AD3 Delay_ms(100); //延时100ms，手动增加一些转换的间隔时间 } } 四、使用CubeMX创建ADC和DMA

将外部0-3.3V的模拟信号接入到单片机底座脚P11（PA1）口

1.CubeMX使用

因为ADC1和ADC2所使用的通道对应的GPIO引脚是一致的，所以使用ADC1或者ADC2都可以。