STM32 ADC原理与内部温度传感器实验

文章参考

[1] 【STM32】ADC库函数 https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/80080660

[2] 逐次逼近比较型adc原理 https://blog.csdn.net/sinat_20265495/article/details/79568492

[3] STM32F1 ADC模数转换简介 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1616434612557464930&wfr=spider&for=pc

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目录

• 正文
  • 介绍
  • 相关寄存器
  • 相关步骤
  • 内部温度传感器介绍
  • 相关步骤
  • 实验结果
  • 问题

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正文

介绍

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存储在 16 位数据寄存器中。

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。

ADC框图

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相关寄存器

ADC 控制寄存器（ADC_CR1 和 ADC_CR2）

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(注入通道) 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。这里，我们设置独立模式，因此该4位全0。

ADC_CR2

ADON 位用于开关 AD 转换器。而 CONT 位用于 设置是否进行连续转换，我们使用单次转换，所以 CONT 位必须为 0。CAL 和 RSTCAL 用于 AD 校准。ALIGN 用于设置数据对齐，我们使用右对齐，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，如下图所示：

我们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。

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 的各位描述如下图所示：

ADC_SMPR2 如下图所示：

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。

ADC 规则序列寄存器（ADC_SQR1~3）

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（使用通道的个数）
要说明一点的是：我们选择的是单次转换， 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。

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。

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。

ADC 状态寄存器（ADC_SR）

这里我们要用到的是 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。

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相关步骤

1）开启 PA 口时钟和 ADC1 时钟，设置 PA1 为模拟输入。
STM32F103ZET6 的 ADC 通道 1 在 PA1 上，所以，我们先要使能 PORTA 的时钟和 ADC1 时钟，然后设置 PA1 为模拟输入。

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,库函数的实现方法是:

	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); 
	//时钟复位
	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
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。

	void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct)； 
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; 
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC 工作模式:独立模式 
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //AD 单通道模式,因为这里只有一个通道。
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //AD 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 1 
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根据指定的参数初始化外设 ADCx 

参数 ADC_Mode 故名是以是用来设置 ADC 的模式。我们这里配置的是独立模式。
参数 ADC_ScanConvMode 用来设置是否开启扫描模式。这里单次扫描，配置不开启。
参数 ADC_ContinuousConvMode 用来设置是否开启连续转换模式。这里单次转换，配置不开启。
参数 ADC_ExternalTrigConv 是用来设置启动规则转换组转换的外部事件。这里是软件触发。
参数 DataAlign 用来设置 ADC 数据对齐方式是左对齐还是右对齐。这里配置右对齐。
参数 ADC_NbrOfChannel 用来设置规则序列的长度，这里我们是单次转换，所以值为 1 即可。
4）使能 ADC 并校准
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。

	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1 
	ADC_ResetCalibration(ADC1); 	//复位校准
	ADC_StartCalibration(ADC1);  //开始指定 ADC1 的校准状态 
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束 
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  //等待校 AD 准结束 

5）读取 ADC 值

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 );
//开启ADC转换
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//使能指定的 ADC1 的软件转换启动功能 
//获取转换 ADC 转换结果数据
ADC_GetConversionValue(ADC1); 
//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);

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内部温度传感器

STM32 有一个内部的温度传感器，可以用来测量 CPU 及周围的温度(TA)。该温度传感器 在内部和 ADCx_IN16 输入通道相连接，此通道把传感器输出的电压转换成数字值。温度传感 器模拟输入推荐采样时间是 17.1μs。 STM32 的内部温度传感器支持的温度范围为：-40~125 度。精度比较差，为±1.5℃左右。

我们要使用 STM32 的内部温度传感器，必须先激活 ADC 的内部通道，这里 通过 ADC_CR2 的 AWDEN 位（bit23）设置。设置该位为 1 则启用内部温度传感器。

STM32 的内部温度传感器固定的连接在 ADC 的通道 16 上，所以，我们在设 置好 ADC 之后只要读取通道 16 的值，就是温度传感器返回来的电压值了。根据这个值，我们 就可以计算出当前温度。
计算公式如下：
T（℃）={（V25-Vsense）/Avg_Slope}+25

上式中： V25=Vsense 在 25 度时的数值（典型值为：1.43）。 Avg_Slope=温度与 Vsense 曲线的平均斜率（单位为 mv/℃或 uv/℃）（典型值为 4.3Mv/℃）

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两个步骤

1）设置 ADC，开启内部温度传感器

ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE); 

2）读取通道 16 的 AD 值，计算结果
在设置完之后，我们就可以读取温度传感器的电压值了，得到该值就可以用上面的公式计 算温度值。

相关代码

#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"	 
#include "tsensor.h"

int main(void)
{	 
	short temp; 
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	  
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
	uart_init(115200);	 	//串口初始化为115200
	LED_Init();		  		//初始化与LED连接的硬件接口
	T_Adc_Init();		  		//ADC初始化	    
	while(1)
	{
		temp=Get_Temprate();	//得到温度值 
		printf ("温度值 %d.%d\r\n",temp/100,temp%100);
		LED0=!LED0;
		delay_ms(250);	
	} 
}

//初始化ADC
//这里我们仅以规则通道为例
//我们默认将开启通道0~3	
void T_Adc_Init(void)  //ADC通道初始化
{
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1	, ENABLE );	  //使能GPIOA,ADC1通道时钟
  
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);   //分频因子6时钟为72M/6=12MHz

  	ADC_DeInit(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(ADC1, &ADC_InitStructure);	//根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器

	ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE); //开启内部温度传感器
	
 
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);	//使能指定的ADC1

	ADC_ResetCalibration(ADC1);	//重置指定的ADC1的复位寄存器

    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));	//获取ADC1重置校准寄存器的状态,设置状态则等待

	ADC_StartCalibration(ADC1);	 //

	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));		//获取指定ADC1的校准程序,设置状态则等待
}
u16 T_Get_Adc(u8 ch)   
	{
 
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );	//ADC1,ADC通道3,第一个转换,采样时间为239.5周期	  			    
 
	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
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);	//返回最近一次ADC1规则组的转换结果
	}

//得到ADC采样内部温度传感器的值
//取10次,然后平均
u16 T_Get_Temp(void)
	{
	u16 temp_val=0;
	u8 t;
	for(t=0;t<10;t++)
		{
		temp_val+=T_Get_Adc(ADC_Channel_16);	  //TampSensor
		delay_ms(5);
		}
	return temp_val/10;
	}

 //获取通道ch的转换值
//取times次,然后平均
u16 T_Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
	u32 temp_val=0;
	u8 t;
	for(t=0;t<times;t++)
	{
		temp_val+=T_Get_Adc(ch);
		delay_ms(5);
	}
	return temp_val/times;
} 	   

//得到温度值
//返回值:温度值(扩大了100倍,单位:℃.)
short Get_Temprate(void)	//获取内部温度传感器温度值
{
	u32 adcx;
	short result;
 	double temperate;
	adcx=T_Get_Adc_Average(ADC_Channel_16,20);	//读取通道16,20次取平均
	temperate=(float)adcx*(3.3/4096);		//电压值 
	temperate=(1.43-temperate)/0.0043+25;	//转换为温度值 	 
	result=temperate*=100;					//扩大100倍.
	return result;
}

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实验结果

这里，2948相当于29.48，没有做取100处理。

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问题

1.关于数据寄存器问题

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 寄存器内，注入组的数据放在 JDRx 内。

因为 STM32F1 的 ADC 是 12 位转换精度，而数据寄存器是 16 位，所以 ADC在存放数据的时候就有左对齐和右对齐区分。如果是左对齐，AD 转换完成数据存放在 ADC_DR 寄存器的[4:15]位内；如果是右对齐，则存放在 ADC_DR 寄存器的[0:11]位内。具体选择何种存放方式，需通过 ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

在规则组中，含有 16 路通道，对应着存放规则数据的寄存器只有 1 个，如果使用多通道转换，那么转换后的数据就全部挤在 ADC_DR 寄存器内，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。如果没有使用 DMA 传输，我们一般通过 ADC 状态寄存器 ADC_SR 获取当前 ADC 转换的进度状态，进而进行程序控制。

而在注入组中，最多含有 4 路通道，对应着存放注入数据的寄存器正好有 4个，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。

规则通道和注入通道

2.关于通道

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。当我们确定好 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。

3.关于读取的值

STM32 的内部温度传感器固定的连接在 ADC 的通道 16 上，所以，我们在设 置好 ADC 之后只要读取通道 16 的值，就是温度传感器返回来的电压值了。根据这个值，我们 就可以计算出当前温度