R9 STM32之ADC—电压采集

STM32之ADC—电压采集

简介

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。

目录

ADC 功能框图剖析

①电压输入范围
ADC 输入范围为：V REF- ≤ V IN ≤ V REF+ 。由 V REF- 、V REF+ 、V DDA 、V SSA 、这四个外部引脚决定。一般把V SSA 和V REF- 接地，把V REF+ 和V DDA 接3V3，得到ADC的输入电压范围为：0~3.3V。
②输入通道
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。

外部的 16 个通道在转换的时候又分为规则通道和注入通道，其中规则通道最多有 16路，注入通道最多有 4路。
规则通道：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。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。
③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。

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[2:0]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。

④触发源
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。
除了这种控制方法，ADC 还支持触发转换，这个触发包括内部定时器触发和外部 IO 触发。触发源有很多，具体选择哪一种触发源，由 ADC 控制寄存器 2:ADC_CR2 的EXTSEL[2:0]和 JEXTSEL[2:0]位来控制。EXTSEL[2:0]用于选择规则通道的触发源，JEXTSEL[2:0]用于选择注入通道的触发源。选定好触发源之后，触发源是否要激活，则由ADC控制寄存器 2:ADC_CR2的 EXTTRIG和 JEXTTRIG 这两位来激活。其中 ADC3的规则转换和注入转换的触发源与ADC1/2 的有所不同，在框图上已经表示出来。
⑤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，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。
⑥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。
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。
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。
⑦中断
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，还可以根据中断类型写相应配套的中断服务程序。
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。
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。
⑧电压转换
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。

ADC 初始化结构体详解

ADC_InitTypeDef 结构体

ADC_InitTypeDef 结构体定义在 stm32f10x_adc.h 文件内，具体定义如下：

1 typedef struct
2 {
3 uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择
4 FunctionalState ADC_ScanConvMode; /* ADC 扫描（多通道）
5                                   或者单次（单通道）模式选择 */
6 FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
7 uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
8 uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
9 uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
10 } ADC_InitTypeDef;

ADC_Mode：配置 ADC的模式，当使用一个 ADC时是独立模式，使用两个 ADC时是双模式，在双模式下还有很多细分模式可选，具体配置 ADC_CR1:DUALMOD位。
ScanConvMode：可选参数为 ENABLE 和 DISABLE，配置是否使用扫描。如果是单通道 AD 转换使用 DISABLE ，如果是多通道 AD 转换使用 ENABLE，具体配置ADC_CR1:SCAN 位。
ADC_ContinuousConvMode：可选参数为 ENABLE和 DISABLE，配置是启动自动连续转换还是单次转换。使用 ENABLE 配置为使能自动连续转换；使用 DISABLE 配置为单次转换，转换一次后停止需要手动控制才重新启动转换，具体配置 ADC_CR2:CON 位。
ADC_ExternalTrigConv：外部触发选择，图 31-1 中列举了很多外部触发条件，可根据项目需求配置触发来源。实际上，我们一般使用软件自动触发。
ADC_DataAlign：转换结果数据对齐模式，可选右对ADC_DataAlign_Right或者左对齐 ADC_DataAlign_Left。一般我们选择右对齐模式。
ADC_NbrOfChannel：AD 转换通道数目，根据实际设置即可。具体的通道数和通道的转换顺序是配置规则序列或注入序列寄存器。

独立模式单通道采集实验编程要点

1) 初始 ADC 用到的 GPIO；
2) 设置 ADC 的工作参数并初始化；
3) 设置 ADC 工作时钟；
4) 设置 ADC 转换通道顺序及采样时间；
5) 配置使能 ADC 转换完成中断，在中断内读取转换完数据；
6) 使能 ADC；
7) 使能软件触发 ADC 转换。

注意：ADC 转换结果数据使用中断方式读取，这里没有使用 DMA 进行数据传输。

独立模式多通道采集实验编程要点

1) 初始化 ADC GPIO；
2) 初始化 ADC工作参数；
3) 配置 DMA工作参数；
4) 读取 ADC 采集的数据；
ADC 转换结果数据使用 DMA 方式传输至指定的存储区，这样取代单通道实验使用中断服务的读取方法。实际上，多通道 ADC 采集一般使用 DMA 数据传输方式更加高效方便。

双重 ADC 同步规则模式采集实验

AD转换包括采样阶段和转换阶段，在采样阶段才对通道数据进行采集；而在转换阶段只是将采集到的数据进行转换为数字量输出，此刻通道数据变化不会改变转换结果。
独立模式的 ADC采集需要在一个通道采集并且转换完成后才会进行下一个通道的采集。而双重 ADC的机制就是使用两个 ADC同时采样一个或者多个通道。双重 ADC模式较独立模式一个最大的优势就是提高了采样率，弥补了单个 ADC采样不够快的缺点。
启用双 ADC模式的时候，通过配置ADC_CR1寄存器的DUALMOD[3:0]位，可以有几种不同的模式。


这里只对这些模式做了简要的说明，更具体的信息请参考数据手册 ADC 章节的双ADC 模式小节。
选取同步规则模式来作为实验讲解。同步规则模式是 ADC1 和 ADC2 同时转
换一个规则通道组，ADC1 是主，ADC2 是从，ADC1 转换的结果放在 ADC1_DR 的低 16位，ADC2 转换的结果放在 ADC1_DR的高十六位。并且必须开启 DMA 功能。
外部触发来自 ADC1的规则组多路开关(由 ADC1_CR2寄存器的 EXTSEL[2:0]选择 )，它同时给 ADC2 提供同步触发 。为了简单起见，ADC1 我们选择软件触发，ADC2 必须选择外部触发，这个外部触发来自于 ADC1的规则组多路开关。
为了实验的简单起见，实验中我们选取 ADC1和 ADC2各采集一个通道 。

编程要点

1) 初始化 ADC GPIO；
2) 初始化 DMA 配置；
3) 初始化 ADC参数；
4) 读取 ADC 采集的数据，并打印出来校正；