STM32学习笔记一一ADC
前言：
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注：博客所涉及的关于 stm32 的代码，均在仓库【stm32f013_study】下，包括底层驱动和应用测试代码。
本文设计的文件包含：
（1）drvadc.c：ADC 驱动实现
（2）app_adc.c：ADC 功能测试代码
（3）头文件：
drvuadc.h ：ADC；
app_adc.h ：ADC应用测试；
1. STM32 ADC 简介
STM32 拥有 1~3 个 ADC（STM32F101/102 系列只有 1 个 ADC），这些 ADC 可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。 STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有 18 个通道，可测量 16 个外部和 2 个内部信号源。各通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。 ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式（12位）存储在 16 位数据寄存器中。 模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。
STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz，也就是转换时间为 1us（在 ADCCLK = 14M，采样周期为 1.5 个 ADC 时钟下得到），不要让 ADC 的时钟超过 14M，否则将导致结果准确度下降。STM32 将 ADC 的转换分为 2 个通道组：规则通道组和注入通道组。规则通道相当于你正常运行的程序，而注入通道呢，就相当于中断。在你程序正常执行的时候，中断是可以打断你的执行的。同这个类似，注入通道的转换可以打断规则通道的转换， 在注入通道被转换完成之后，规则通道才得以继续转换。
STM32 的 ADC 在单次转换模式下，只执行一次转换，该模式可以通过 ADC_CR2 寄存器的 ADON 位（只适用于规则通道）启动，也可以通过外部触发启动（适用于规则通道和注入通道），这是 CONT 位为 0。以规则通道为例，一旦所选择的通道转换完成，转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器中，EOC（转换结束）标志将被置位，如果设置了 EOCIE，则会产生中断。然后 ADC 将停止，直到下次启动。
2. 规则通道的单次转换
2.1. 相关 ADC 寄存器
2.2.1. ADC 控制寄存器（ADC_CR1 和 ADC_CR2）
a. ADC_CR1
ADC_CR1 的 SCAN 位，该位用于设置扫描模式，由软件设置和清除，如果设置为 1，则使用扫描模式，如果为 0，则关闭扫描模式。在扫描模式下，由 ADC_SQRx 或 ADC_JSQRx 寄存器选中的通道被转换。如果设置了 EOCIE 或 JEOCIE，只在最后一个通道转换完毕后才会产生 EOC 或 JEOC 中断。
ADC_CR1[19： 16] 用于设置 ADC 的操作模式，详细的对应关系如下图：
b. ADC_CR2
该寄存器的各位描述如图:
ADON 位用于开关 AD 转换器。CONT 位用于设置是否进行连续转换，我们使用单次转换，CONT 位必须为 0。 CAL 和 RSTCAL 用于 AD 校准。 ALIGN 用于设置数据对齐，使用右对齐，该位设置为 0。
EXTSEL[2： 0] 用于选择启动规则转换组转换的外部事件
这里使用的是软件触发（SWSTART），所以设置这 3 个位为 111。 ADC_CR2 的 SWSTART 位用于开始规则通道的转换，我们每次转换（单次转换模式下）都需要向该位写 1。AWDEN 为用于使能温度传感器和 Vrefint。
2.2 ADC 采样事件寄存器（ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2
这两个寄存器用于设置通道 0~17 的采样时间，每个通道占用 3 个位。ADC_SMPR1 的各位描述如图:
ADC_SMPR2 的各位描述如下图:
对于每个要转换的通道，采样时间建议尽量长一点，以获得较高的准确度，但是这样会降低 ADC 的转换速率。 ADC 的转换时间可以由以下公式计算：
Tcovn = 采样时间 + 12.5 个周期
其中：Tcovn：为总转换时间，采样时间是根据每个通道的 SMP 位的设置来决定的。例如，当 ADCCLK = 14Mhz 的时候，并设置 1.5 个周期的采样时间，则得到： Tcovn = 1.5 + 12.5 =14 个周期 = 1us。
2.3 ADC 规则序列寄存器（ADC_SQR1~3）
该寄存器总共有 3 个，这几个寄存器的功能都差不多，这里仅介绍一下 ADC_SQR1，该寄存器的各位描述如图 ：
L[3： 0] 用于存储规则序列的长度，我们这里只用了 1 个，所以设置这几个位的值为 0。其他的 SQ13~16 则存储了规则序列中第 13~16 通道的编号（编号范围： 0~17）。另外两个规则序列寄存器同 ADC_SQR1 大同小异，要说明一点的是：是单次转换，所以只有一个通道在规则序列里面，这个序列就是 SQ1，通过 ADC_SQR3 的最低 5位（也就是 SQ1） 设置。
2.4 ADC 规则数据寄存器(ADC_DR)
规则序列中的 AD 转化结果都将被存在这个寄存器里面，而注入通道的转换结果被保存在 ADC_JDRx 里面。 ADC_DR 的各位描述如图 :
该寄存器的数据可以通过 ADC_CR2 的 ALIGN 位设置左对齐还是右对齐。在读取数据的时候要注意。
2.5 ADC 状态寄存器（ADC_SR）
该寄存器保存了 ADC 转换时的各种状态。该寄存器的各位描述如图：
这里用到的是 EOC 位，我们通过判断该位来决定是否此次规则通道的 AD 转换已经完成，如果完成我们就从 ADC_DR 中读取转换结果，否则等待转换完成。
3. STM32 的单次转换模式设置步骤
1） 开启 PA 口和 ADC1 时钟，设置 PA1 为模拟输入。
STM32F103RCT6 的 ADC1 通道 1 在 PA1 上，所以，我们先要使能 PORTA 的时钟，然后设置 PA1 为模拟输入。 使能 GPIOA 和 ADC 时钟用RCC_APB2PeriphClockCmd 函数，设置 PA1 的输入方式，使用 GPIO_Init 函数即可。下面为 STM32 的 ADC 通道与 GPIO 对应表：
2）复位 ADC1，同时设置 ADC1 分频因子。
开启 ADC1 时钟之后，我们要复位 ADC1，将 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值之后我们就可以通过 RCC_CFGR 设置 ADC1 的分频因子。分频因子要确保 ADC1 的时钟（ADCCLK）不要超过 14Mhz。 这个我们设置分频因子位 6，时钟为 72 / 6 = 12MHz。库函数的实现方是:
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
ADC 时钟复位的方法是：
ADC_DeInit(ADC1);
3）初始化 ADC1 参数，设置 ADC1 的工作模式以及规则序列的相关信息。
在设置完分频因子之后，就可以开始 ADC1 的模式配置了，设置单次转换模式、触发方式选择、数据对齐方式等都在这一步实现。同时，我们还要设置 ADC1 规则序列的相关信息。
这里只有一个通道，并且是单次转换的，所以设置规则序列中通道数为 1。这些在库函数中是通过函数 ADC_Init 实现的，其定义：
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct)；
第一个参数：指定 ADC 号。
第二个参数：跟其他外设初始化一样，同样是通过设置结构体成员变量的值来设定参数。
typedef struct
{
uint32_t ADC_Mode;
FunctionalState ADC_ScanConvMode;
FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;
uint32_t ADC_ExternalTrigConv;
uint32_t ADC_DataAlign;
uint8_t ADC_NbrOfChannel;
} ADC_InitTypeDef;
参数 ADC_Mode ：用来设置 ADC 的模式.ADC 的模式非常多，包括独立模式，注入同步模式等等，这里我们选择独立模式，参数为 ADC_Mode_Independent。
参数 ADC_ScanConvMode ：用来设置是否开启扫描模式，因为我们的实验是单通道单次转换，所以这里我们选择不开启值 DISABLE 即可。
参数 ADC_ContinuousConvMode： 用来设置是否开启连续转换模式，因为是单次转换模式，所以我们选择不开启连续转换模式， DISABLE 即可。
参数 ADC_ExternalTrigConv： 是用来设置启动规则转换组转换的外部事件，这里我们选择软件触发，选择值为 ADC_ExternalTrigConv_None 即可。
参数 DataAlign：用来设置 ADC 数据对齐方式是左对齐还是右对齐，这里选择右对齐方式ADC_DataAlign_Right。
参数 ADC_NbrOfChannel ：用来设置规则序列的长度， 我们实验只开启一个通道，所以值为 1 即可。
初始化范例：
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_PCLK_ADC_CHL, ENABLE ); //使能ADC1通道时钟
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
ADC_DeInit(ADC_CHL); //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
ADC_Init(ADC_CHL, &ADC_InitStructure); //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器
5）使能 ADC 并校准。
在设置完了以上信息后，就使能 AD 转换器，**执行复位校准和 AD 校准，注意这两步是必须的！**不校准将导致结果很不准确。
使能指定的 ADC 的方法是：
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1
执行复位校准的方法是：
ADC_ResetCalibration(ADC1);
执行 ADC 校准的方法是：
ADC_StartCalibration(ADC1); //开始指定 ADC1 的校准状态
记住，每次进行校准之后要等待校准结束。这里是通过获取校准状态来判断是否校准是否结束。
复位校准和 AD 校准的等待结束方法：
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校 AD 准结束
6）读取 ADC 值。
在上面的校准完成之后， ADC 就算准备好了。接下来我们要做的就是设置规则序列 1 里面的通道，采样顺序，以及通道的采样周期，然后启动 ADC 转换。在转换结束后，读取 ADC 转换结果值。
这里设置规则序列通道以及采样周期的函数是：
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel,
uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)；
我们这里是规则序列中的第 1 个转换，同时采样周期为 239.5，所以设置为：
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );
软件开启 ADC 转换的方法是：
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//使能指定的 ADC1 的软件转换启动功能
开启转换之后，就可以获取转换 ADC 转换结果数据，方法是：
ADC_GetConversionValue(ADC1);
同时在 AD 转换中，我们还要根据状态寄存器的标志位来获取 AD 转换的各个状态信息。库函数获取 AD 转换的状态信息的函数是：
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG)
比如我们要判断 ADC1 的转换是否结束，方法是：
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束
通过以上几个步骤的设置，我们就能正常的使用 STM32 的 ADC1 来执行 AD 转换操作了。
注：说明一下 ADC 的参考电压， MiniSTM32 开发板使用的是STM32F103RCT6，该芯片没有外部参考电压引脚， ADC 的参考电压直接取自 VDDA，也就是 3.3V，即输入电压范围为：0~3.3V 。
4. 例程分析
宏定义：
//GPIO 部分
#define RCC_PCLK_ADC_GPIO RCC_APB2Periph_GPIOA
#define PORT_ADC_IN GPIOA
#define ADC_IN_PIN GPIO_Pin_1
//ADC 部分
#define RCC_PCLK_ADC_CHL RCC_APB2Periph_ADC1
#define ADC_CHL ADC1
例程实现：
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 函 数 名: Adc_GpioConfig
// 功能说明: ADC输入采集引脚配置
// 形 参: 无
// 返 回 值: 无
// 日 期: 2020-03-11
// 备 注:
// 作 者: 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
void Adc_GpioConfig(void)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_PCLK_ADC_GPIO, ENABLE ); //使能ADC1通道时钟
//PA1 作为模拟通道输入引脚
gpio_init.GPIO_Pin = ADC_IN_PIN; //ADC输入引脚
gpio_init.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入引脚
GPIO_Init(PORT_ADC_IN, &gpio_init);
}
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 函 数 名: Adc_Config
// 功能说明: ADC输入采集功能配置
// 形 参: 无
// 返 回 值: 无
// 备 注:
// 日 期: 2020-03-11
// 作 者: 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
void Adc_Config(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_PCLK_ADC_CHL, ENABLE ); //使能ADC1通道时钟
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
ADC_DeInit(ADC_CHL); //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //模数转换工作在单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
ADC_Init(ADC_CHL, &ADC_InitStructure); //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器
ADC_Cmd(ADC_CHL, ENABLE); //使能指定的ADC1
ADC_ResetCalibration(ADC_CHL); //使能复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_CHL)); //等待复位校准结束
ADC_StartCalibration(ADC_CHL); //开启AD校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC_CHL)); //等待校准结束
// ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
}
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 函 数 名: Adc_Init
// 功能说明: ADC初始化
// 形 参: 无
// 返 回 值: 无
// 备 注:
// 日 期: 2020-03-11
// 作 者: 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
void Adc_Init(void)
{
Adc_GpioConfig(); //IO初始化
Adc_Config(); //ADC功能配置
}
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 函 数 名: Get_AdcConvertVal
// 功能说明: 输出ADC转换结果
// 形 参: _ucChl：ADC 采集通道
// 返 回 值: 采集数据结果
// 备 注:
// 日 期: 2020-03-11
// 作 者: 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
uint16_t Get_AdcConvertVal(uint8_t _ucChl)
{
//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC_CHL, _ucChl, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5); //ADC1,ADC通道,采样时间为239.5周期
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_CHL, ENABLE); //使能指定的ADC1的软件转换启动功能
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC_CHL, ADC_FLAG_EOC)); //等待转换结束
return ADC_GetConversionValue(ADC_CHL); //返回最近一次ADC1规则组的转换结果
}
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 函 数 名: Get_Adc_Average
// 功能说明: 转换出 ADC 采集数据
// 形 参: _ucChl：ADC 通道号
// _ucTimes：采集次数
// 返 回 值: 转换数据
// 备 注:
// 日 期: 2020-03-11
// 作 者: 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
uint16_t Get_AdcAverage(uint8_t _ucChl, uint8_t _ucTimes)
{
uint32_t ulTmpVal = 0;
uint8_t i = 0;
for(i = 0; i < _ucTimes; i++)
{
ulTmpVal += Get_AdcConvertVal(_ucChl);
delay_ms(5);
}
return ulTmpVal / _ucTimes;
}
结果测试：
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// 函 数 名: App_AdcTest
// 功能说明: ADC单通道采样测试
// 形 参: 无
// 返 回 值: 无
// 备 注:
// 日 期: 2020-03-11
// 作 者: 霁风AI
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
void App_AdcTest(void)
{
uint16_t usAdcVal = 0;
float fTmpVal = 0.0;
usAdcVal = Get_AdcAverage(ADC_Channel_1, 10);
//INPUT VOLTAGE = (ADC Value / ADC Resolution) * Reference Voltage
fTmpVal = (float)usAdcVal * (3.3 / 4096); //12位ADC
printf("voltage is %04fv.\r\n", fTmpVal);
delay_ms(250);
}
ADC 结果：
改变输入电压，ADC 采集的电压对应发生改变。
参考：
原子 STM32 教程—库函数