STM32学习心得二十三：ADC转换原理及模数转换实验

记录一下，方便以后翻阅~
主要内容：
1） STM32 ADC相关知识；
2） 相关寄存器和库函数配置；
3） 相关实验代码解读。
实验功能：针对GPIOA, 引脚1，实时采集开发版上3.3v的电压信号（用杜邦线连接），在串口调试助手上实时观察该电压值。
官方资料：《STM32中文参考手册V10》第11章——模拟/数字转换（ADC）
1. ADC (Analog-to-Digital Converter)模/数转换器
ADC是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。典型的模拟/数字转换器将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号。
2. STM32 ADC特点
2.1 12位逐次逼近型的模拟数字转换器；
2.2 最多带3个ADC控制器（如下图所示，其中144脚芯片因为带PF脚，所以多5个通道，为21个外部通道。小于144脚芯片只有16个外部通道）；

2.3 最多支持18个通道，可最多测量16个外部和2个内部信号源；
2.4 支持单次和连续转换模式；
2.5 转换结束，注入转换结束，和发生模拟看门狗事件时产生中断；
2.6 通道0到通道n的自动扫描模式；
2.7 自动校准；
2.8 采样间隔可以按通道编程；
2.9 规则通道和注入通道均有外部触发选项；
2.10 转换结果支持左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器；
2.11 ADC转换时间：最大转换速率1us（最大转换速度为1MHz，在ADCCLK=14M，采样周期为1.5个ADC时钟下得到）；
2.12 ADC供电要求：2.4V-3.6V（ADC引脚输入不要超过3.3v，否则会烧坏！）；
2.13 ADC输入范围：VREF-≤ VIN ≤ VREF+。
3. STM32F10x系列芯片ADC通道和引脚对应关系

4. ADC引脚

5. ADC框图

6. STM32通道组
6.1 规则通道组：相当正常运行的程序。最多16个通道。规则通道和它的转换顺序在ADC_SQRx寄存器中选择，规则组转换的总数应写入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]中；
6.2 注入通道组：相当于中断。最多4个通道。注入组和它的转换顺序在ADC_JSQR寄存器中选择。注入组里转化的总数应写入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]中。

STM32F1的ADC的各通道可以单次，连续，扫描或者间断模式执行。
7. 相关寄存器
7.1 单次转化 VS 连续转换


7.2 扫描模式


7.3 ADC中断

7.4 ADC时钟配置

备注：不要让ADC时钟超过14MHz，否则可能不准。
推荐函数配置：

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); 

7.5 ADC_CR1寄存器


在扫描模式下，由ADC_SQRx或者ADC_JSQRx寄存器选中的通道被转换。如果设置了EOCIE或者JEOCIE，在最后一个通道转换完毕后才会产生EOC或者JEOC中断。

7.6 ADC_CR2寄存器



7.7 数据对齐方式

7.8 ADC_SMPR1寄存器

7.9 ADC_SMPR2寄存器

7.10 ACD采样时间

最小转换时间1us(ADC时钟=14MHz，采样周期为1.5周期下得到）
7.11 ADC_SQR1/SQR2/SQR3规则序列寄存器

7.12 ADC_JSQR注入系列寄存器

7.13 ADC_DR规则通道数据寄存器

7.14 ADC_JDR注入通道数据寄存器

7.15 ADC_SR状态寄存器

8. 常用库函数
8.1 常用库函数一览

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx)；
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
voidADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

8.2 ADC初始化函数

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
typedef struct
{
  uint32_t ADC_Mode;                      //ADC模式：配置ADC_CR1寄存器的位[19:16]：DUALMODE[3:0]位//
  FunctionalState ADC_ScanConvMode;       //是否使用扫描模式。ADC_CR1位8：SCAN位// 
  FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; //单次转换OR连续转换：ADC_CR2的位1：CONT//
  uint32_t ADC_ExternalTrigConv;          //触发方式：ADC_CR2的位[19:17]：EXTSEL[2:0]//                
  uint32_t ADC_DataAlign;                 //对齐方式：左对齐还是右对齐：ADC_CR2的位11：ALIGN// 
  uint8_t ADC_NbrOfChannel;               //规则通道序列长度：ADC_SQR1的位[23:20]：L[3:0]//       
}
ADC_InitTypeDef;

例：

ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;                   //独立模式
ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;                        //不开启扫描 
ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;                  //单次转换模式
ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;  //触发软件 
ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;               //ADC数据右对齐
ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;                              //顺序进行规则转换的ADC通道的数目
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);      

8.3 ADC使能函数 ADC_Cmd();

void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

例：

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);                      //使能指定的ADC1//

8.4
ADC使能软件转换函数

void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef*  ADCx,  FunctionalState NewState);

例：

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);    //使能ADC1的软件转换启动//

8.5 ADC 规则通道配置函数

void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

例：

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );

8.6 ADC 获取转换结果函数

uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

例：

ADC_GetConversionValue(ADC1);               //获取ADC1转换结果//

9. 一般配置步骤
9.1 开启PA口时钟和ADC1时钟，设置PA1为模拟输入；

GPIO_Init(); 
APB2PeriphClockCmd();

9.2 复位ADC1，同时设置ADC1分频因子；

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
ADC_DeInit(ADC1);

9.3 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；

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct)；

9.4 使能ADC并校准；

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

ADC_ResetCalibration(ADC1);                 //使能复位校准//   
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束// 
ADC_StartCalibration(ADC1);                 //开启AD校准//
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));      //等待校准结束//

9.5 配置规则通道参数；

ADC_RegularChannelConfig();

9.6 开启软件转换：

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1);

9.7 等待转换完成，读取ADC值。

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));   //等待转换结束，EOC=1时，转换完成，则While停止//

ADC_GetConversionValue(ADC1);

10. 相关代码解读
    10.1 adc.h头文件代码解读

#ifndef __ADC_H
#define __ADC_H 
#include "sys.h"
//申明了三个函数//
void Adc_Init(void);  
u16  Get_Adc(u8 ch); 
u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times); 
#endif 

10.2 adc.c文件代码解读

#include "adc.h"
#include "delay.h"
//编写void Adc_Init(void)函数//                   
void  Adc_Init(void)
{  
 ADC_InitTypeDef  ADC_InitStructure;              //ADC_Init初始化结构体//
 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;             //GPIO_Init初始化结构体//
 //使能GPIOA和ADC1通道时钟//
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1 , ENABLE );  
 //配置GPIOA,引脚1，模拟输入//                        
 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_1;       //引脚1//
 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;    //模拟输入//
 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 
 //设置ADC分频因子6,72M/6=12M,ADC最大时间不能超过14M//
 RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);   
 ADC_DeInit(ADC1);                                //复位ADC1，可写可不写// 
 //配置ADC_Init结构体参数//
 //ADC_CR1寄存器，位[19:16]：DUALMODE双模式选择，ADC_Mode_Independent=0x00000000，独立模式//
 ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;                   
 //ADC_CR1寄存器，位8：SCAN扫描模式，0关闭扫描模式//
 ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   
 //ADC_CR2寄存器，位1：CONT连续转换，0单次转换模式// 
 ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
 //ADC_CR2寄存器，位[19:17]：EXTSEL选择启动规则通道组转换的外部事件，ADC_ExternalTrigConv_None=0x000E0000，SWSTART软件控制// 
 ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; 
 //ADC_CR2寄存器，位11：ALIGN数据对齐，ADC_DataAlign_Right=0x00000000，右对齐//
 ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; 
 //ADC_SQR1寄存器，位[23:20]：L规则通道序列长度，1指1个转换，即位[23:20]设为0000//
 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; 
 ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);    
 //使能指定的ADC1//
 ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); 
 //下面四个函数用于校准//
 ADC_ResetCalibration(ADC1);                     //使能复位校准//   
 while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));     //等待复位校准结束// 
 ADC_StartCalibration(ADC1);                     //开启AD校准//
 while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));          //等待校准结束//
}      
//编写u16 Get_Adc函数(u8 ch)//
u16 Get_Adc(u8 ch)   
{
 //设置指定ADC的规则组通道，四个入口参数//
 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );           
 ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);          //使能指定的ADC1的软件转换启动功能// 
 while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));  //等待转换结束，EOC=1时，转换完成，则While停止//
 return ADC_GetConversionValue(ADC1);             //返回最近一次ADC1规则组的转换结果//
}
//编写u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)//
u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
 u32 temp_val=0;
 u8 t;
 for(t=0;t<times;t++)
 {
  temp_val+=Get_Adc(ch);
  delay_ms(5);
 }
 return temp_val/times;
}   

10.3 main.c代码解读

#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"  
#include "adc.h"
int main(void)
 {  
  u16 adcx;
  float temp;
  delay_init();        //延时函数初始化   
  uart_init(115200);   //串口初始化为115200
  LED_Init();          //LED端口初始化
  Adc_Init();          //ADC初始化    
 while(1)
 {
  adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10);
  temp=(float)adcx*(3.3/4096);
  printf("电压大小（从二进制寄存器读取后转换为十进制）:%d\n",adcx); 
  printf("电压大小（换算成电压单位后）:%f\n",temp);
  LED0=!LED0;
  delay_ms(250); 
 }
 }

旧知识点
1）复习如何新建工程模板，可参考STM32学习心得二：新建工程模板；
2）复习基于库函数的初始化函数的一般格式，可参考STM32学习心得三：GPIO实验-基于库函数；
3）复习寄存器地址，可参考STM32学习心得四：GPIO实验-基于寄存器；
4）复习位操作，可参考STM32学习心得五：GPIO实验-基于位操作；
5）复习寄存器地址名称映射，可参考STM32学习心得六：相关C语言学习及寄存器地址名称映射解读；
6）复习时钟系统框图，可参考STM32学习心得七：STM32时钟系统框图解读及相关函数；
7）复习延迟函数，可参考STM32学习心得九：Systick滴答定时器和延时函数解读；
8）复习ST-LINK仿真器的参数配置，可参考STM32学习心得十：在Keil MDK软件中配置ST-LINK仿真器；
9）复习ST-LINK调试方法，可参考STM32学习心得十一：ST-LINK调试原理+软硬件仿真调试方法；
10）复习如何对GPIO进行复用，可参考STM32学习心得十二：端口复用和重映射；
11）复习串口通信相关知识，可参考STM32学习心得十四：串口通信相关知识及配置方法；
12）复习通用定时器基本原理，可参考STM32学习心得十八：通用定时器基本原理及相关实验代码解读。