[003] [蓝桥杯物联网] ADC硬件框架与HAL库轮询/中断/DMA方式编程

蓝桥杯
Contents

ADC硬件框架

通道选择

ADC转换模式

ADC硬件框图分析

主要寄存器

HAL库ADC编程

轮询方式

中断方式

DMA方式

总结

MCU型号：STM32L071KBU
SDK：HAL库
工具：CubeMX + MDK

1 ADC硬件框架

下面为STM32F1/4系列的ADC硬件框架（STM32L0系列ADC框架相对比较简单）

12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器（successive approximation analog-to-digital converter），它有多达18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。（L0系列有19个通道，其中3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。

STM32F10x系列芯片ADC通道和引脚对应关系 ：

1.1 通道选择

有16个复用通道，可以将转换分为两组：规则通道组和注入通道组。规则通道至多16个，注入通道至多4个。

• 规则通道组：相当于正常运行的程序

• 注入通道组：注入通道可以打断规则通道，如果在规则通道转换过程中，有注入通道进行转换，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。（类似中断打断正常运行的程序）

1.2 ADC转换模式

• 单次转换模式：ADC只执行一次转换（适用于规则通道和注入通道）

• 连续转换模式：当前面的ADC转换结束后，立马启动下一次转换

• 扫描模式（多通道使用）：ADC扫描所有选中的规则通道和注入通道，在每个组的每个通道上执行单次转换。在每个转换结束时，这一组的下一个通道被自动转换。如果设置了CONT位（开启了连续转换模式），转换不会在选择组的最后一个通道上停止，而是再次从选择组的第一个通道继续转换。（所有通道转换完毕才会产生相应中断，可通过DMA读取）

• 间断（不连续）模式：每触发一次，转换一个通道。在所选转换通道循环，由触发信号启动新一轮的转换，直到转换完成为止。

扫描模式是一次对所有选中的通道进行转换，比如开了ch0，ch1，ch4，ch5。 ch0转换完以后就会自动转换通道1,4,5直到转换完这个过程不能被打断。如果开启了连续转换模式，则会在转换完ch5之后开始新一轮的转换。

间断模式是对扫描模式的一种补充，它可以把0,1,4,5这四个通道进行分组。可以分成0,1一组，4,5一组。也可以每个通道单独配置为一组。这样每一组转换之前都需要先触发一次。

ADC单通道：

只进行一次ADC转换：配置为“单次转换模式”，扫描模式关闭。ADC通道转换一次后，就停止转换。等待再次使能后才会重新转换

进行连续ADC转换：配置为“连续转换模式”，扫描模式关闭。ADC通道转换一次后，接着进行下一次转换，不断连续。

ADC多通道：

只进行一次ADC转换：配置为“单次转换模式”，扫描模式使能。ADC的多个通道，按照配置的顺序依次转换一次后，就停止转换。等待再次使能后才会重新转换

进行连续ADC转换：配置为“连续转换模式”，扫描模式使能。ADC的多个通道，按照配置的顺序依次转换一次后，接着进行下一次转换，不断连续。

因此，多通道必须使能扫描模式。

1.3 ADC硬件框图分析

STM32F4系列：

1. ADC电压输入范围

ADC一般用于采集小电压，其输入值不能超过VDDA，即ADC输入范围：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。

一般把VSSA和VREF- 接地， VREF+ 和 VDDA接3V3，那么ADC的输入范围是0~3.3V。

2. ADC输入通道

从ADCx_INT0-ADCx_INT15 对应三个ADC的16个外部通道，进行模拟信号转换。此外，还有两个内部通道：温度检测或者内部电压检测

3. 注入通道与规则通道

参看【通道选择】。

4. ADC时钟

STM32L0系列ADC时钟为HSI时钟（16M），STM32F1/4系列时钟为经可编程预分频器分频的 APB2 时钟， 分频因子由RCC_CFGR的ADCPRE[1:0]配置，可配置2/4/6/8分频，对F1/4ADC的时钟最好不超过14M。

ADC采样时间的计算公式：T = 采样时间 + 12.5个周期，其中1周期为1/ADCCLK

例如，ADC_CLK = 16 MHz 且采用时间为 1.5 ADC时钟周期：采样时间= 1.5 + 12.5 = 14 ADC 时钟周期 = 0.875 μs

5. 外部触发转换

ADC 转换可以由ADC 控制寄存器2: ADC_CR2 的ADON 位来控制，写1 的时候开始转换，写0 的时候停止转换。（L0系列由ADC_CR的ADSTART位控制）

除了ADC_CR2寄存器的ADON位控制转换的开始与停止，还可以支持外部事件触发转换（比如定时器捕捉、EXTI线），包括内部定时器触发和外部IO触发。具体的触发源由ADC_CR2的EXTSEL[2:0]位（规则通道触发源 ）和 JEXTSEL[2:0]位（注入通道触发源）控制。

6. 中断

STM32F1：

STM32F4：

STM32L0：

分别为：校准结束、ADC准备就绪、转换结束、转换序列结束、模拟看门狗被置位、采样结束、溢出

7. 模拟看门狗

当被ADC转换的模拟电压值低于低阈值或高于高阈值时，便会产生中断。阈值的高低值由ADC_LTR和ADC_HTR寄存器配置，防止读取到的电压值超量程或者低于量程。

8. DMA

规则和注入通道转换结束后会产生DMA请求，用于将转换好的数据传输到内存。

• DMA与单次转换模式：在这种模式下，每当有新的转换数据字可用时，ADC都会生成一个DMA传输请求，并且一旦DMA传输到最后一个数据时，ADC就会停止生成DMA请求，即使转换已经再次启动。当DMA传输完成时：

  • ADC数据寄存器内容被冻结

  • 任何正在进行的转换将被中止，其部分结果将被丢弃

  • 没有向DMA发送新的请求，若仍启动了转换，这将避免溢出错误（overrun error）

  • 扫描序列停止和复位

  • DMA复位

• DMA与连续转换模式：在这种模式下，每当数据寄存器中有一个新的转换数据字可用时，ADC就会生成一个DMA传输请求，即使DMA已经到达了最后一次DMA传输。 这允许DMA以循环模式配置，以处理连续模拟输入数据流。

注： 只有ADC1和ADC3拥有DMA功能。由ADC2转化的数据可以通过双ADC模式，利用ADC1的DMA功能传输。（L0系列只有ADC1）

1.4 主要寄存器

STM32L0系列的主要寄存器：

2 HAL库ADC编程

MCU：STM32L071KB

2.1 轮询方式

2.1.1 ADC轮询函数

// 轮询方式开启ADC (单次转换模式每次读完都需要重新开启)
HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// 轮询方式关闭ADC
HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// 轮询方式等待规则组转换结束
HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t Timeout);
// 轮询方式等待外部事件触发
HAL_ADC_PollForEvent(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t EventType, uint32_t Timeout);

ADC数值读取（适用于轮询和中断）

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc);

ADC校准函数

AL_ADCEx_Calibration_Start(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t SingleDiff)

SingleDiff：单端或差分输入选择；可选参数只有1个：ADC_SINGLE_ENDED单端

2.1.2 单通道 单次

ADC设置（ADC_Settings）

• Clock Prescaler时钟分频系数：同步时钟 / 2
• Resolution 分辨率：12位
• Data Alignment 数据对齐方式：右对齐
• Scan Direction扫描方向：向前
• Continuous Conversion Mode 连续转换模式：不使用
• Discontinuous Conversion Mode间断（不连续）模式：不使用
• DMA Continuous Requests DMA连续请求：不使用
• End Of Conversion Selection结束转换选择：结束单次转换
• Overrun behaviour溢出行为：保留溢出数据
• Low Power Auto Wait低电压自动等待：不使用
• Low Frequency Mode低频率模式：不使用
• Auto off自动关闭：不使用
• Oversampling Mode过采样模式：不使用

ADC规则转换模式（ADC_Regular_ConversionMode）

• Sampling Time采样时间：1.5个周期
• External Trigge rConversion Source 外部触发转换源：由软件启动定时器转换
• External Trigge rConversion Edge 外部转换信号触发边沿：无

WatchDog 模拟看门狗

• Enable Analog WatchDog Mode使能模拟看门狗：不使能

uint16_t adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    uint32_t adc_value = 0;

    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        HAL_ADC_Start(hadc);
        HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 50);
        adc_value += HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }

    return adc_value / 8;
}

单次转换模式，每次启动ADC转换一次数据，启动转换后等待转换完成，完成后读取数值，ADC转换会自动停止，下次采集需再次手动开启。

2.1.3 单通道 连续

hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;

uint16_t adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    uint32_t adc_value = 0;
    HAL_ADC_Start(hadc);
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 50);
        adc_value += HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }
    HAL_ADC_Stop(hadc);
    return adc_value / 8;
}

连续转换模式，只要启动ADC后就会不停的工作，读取完数值可采用HAL_ADC_Stop函数手动停止ADC。（当然也可以不停止，不过这不满足低功耗设计要求）

2.1.4 多通道 扫描

多通道扫描模式是默认开启的，同时使用连续转换。在扫描模式下，会先采集CH8，然后采集CH9（前向扫描）；又因为使能了连续转换模式，所以在本轮序列采集完后，会自动从CH8继续开始采集。

// PB0-RP2    ------> ADC_IN8
// PB1-RP1    ------> ADC_IN9
uint16_t adc_value[2];
void adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    HAL_ADC_Start(hadc);
    if(HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 20) == HAL_OK)
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);    // ADC_IN8

    if(HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 20) == HAL_OK)
        adc_value[1]  = HAL_ADC_GetValue(hadc);   // ADC_IN9
    HAL_ADC_Stop(hadc);
}

但这是有问题的，最后OLED显示结果（两数值均为RP1采集值）：

RP2 =  adc_value[0] * 3.3f / 4095.f;
RP1 =  adc_value[1] * 3.3f / 4095.f;

下面分析源码：

• HAL_ADC_PollForConversion
  在没有使能DMA情况下（CFGR1的DMAEN位没置位），则tmp_Flag_EOC = (ADC_FLAG_EOC | ADC_FLAG_EOS)，其EOC为单次转换结束标志，EOS为转换序列结束标志，即需要等所有通道转换结束后才会结束等待，返回HAL_OK。

• HAL_ADC_GetValue

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{ 
	return hadc->Instance->DR;
}

DR寄存器为最后一个转换通道的转换结果。即此处ADC_CH9通道的数值，所以最后采集的数值均为RP1电位器的ADC转换数值。

【结论】STM32L0系列HAL中ADC轮询方式无法实现多通道采集。

那么直接操作寄存器吧：

void adc_read(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    hadc->Instance->CR |= ADC_CR_ADSTART;
    while ((hadc->Instance->ISR & ADC_FLAG_EOC) == 0);
    adc_value[0] = hadc->Instance->DR;    // ADC_IN8
    while ((hadc->Instance->ISR & ADC_FLAG_EOS) == 0);
    adc_value[1] = hadc->Instance->DR;    // ADC_IN9
    hadc->Instance->CR |= ADC_CR_ADSTP;         // 仅在ADC_CR_ADSTART=1且ADDIS=0时写入有效
}

虽然可以正常读取，但有时RP1的数值会跳变为RP2的数值，原因就是ADC转换太快了，可能执行到adc_value[0] = hadc->Instance->DR时，ADC单次扫描已结束了，DR寄存器为ADC_IN9的值。

后面采用DMA+连续扫描模式解决。

2.2 中断方式

2.2.1 ADC中断函数

// 中断方式开启ADC
HAL_StatusTypeDef    HAL_ADC_Start_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// 中断方式关闭ADC
HAL_StatusTypeDef    HAL_ADC_Stop_IT(ADC_HandleTypeDef* hadc);

ADC中断和DMA方式触发中断的回调函数：

// 转换完成中断触发/DMA传输完成回调
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc);

2.2.2 单通道

使能中断：

开启ADC转换：

int main(void){
	[...]
    
    HAL_ADC_Start_IT(&hadc);
    
    while (1){
        [...]
    }
}

ADC转换完成回调函数

ADC_HandleTypeDef* hadc1 = &hadc;		// 全局变量与局部变量同名...
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    if (hadc == hadc1)
    {
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }
}

但最后发现板子卡死了，在ADC回调函数和ADC中断来回跳转，原因是使能了连续模式，单次转换完成后，又继续开始转换，导致ADC中断不断触发、回调，而ADC单次转换周期us级别，CPU主频也才30M，根本来不及跳转到main中执行，造成了“卡死”现象。

关闭连续模式后，也不能在回调函数中再次启动ADC转换：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    if (hadc == hadc1)
    {
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);
        HAL_ADC_Start_IT(hadc);
    }
}

这样跟连续模式没区别，刚触发又开始转换，一样“卡死”。

【解决方法】

uint8_t adc_flag = false;
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    if (hadc == hadc1)
    {
        adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);
        adc_flag = true;
    }
}

ADC回调函数中将标志置位后，在后台系统（main函数）中运行，根据系统tick时间每50ms判断一次：

void adc_test(void)
{
    float adc1_vol, adc2_vol;
    if (HAL_GetTick() % 50 == 0 && adc_flag)
    {
        adc_flag = false;

        adc2_vol =  adc_value[0] * 3.3f / 4095.f;
        adc1_vol =  adc_value[1] * 3.3f / 4095.f;

        snprintf(oled_buf, sizeof(oled_buf), "RP1: %.2fV  ", adc1_vol);
        OLED_ShowString(0, 0, (uint8_t *)oled_buf, 16);
        snprintf(oled_buf, sizeof(oled_buf), "RP2: %.2fV  ", adc2_vol);
        OLED_ShowString(0, 2, (uint8_t *)oled_buf, 16);

        HAL_ADC_Start_IT(&hadc);
    }
}

adc_test在main中调用。

2.2.3 多通道

中断方式多通道读取问题与轮询方式一样，但是每次读取的是CH8通道的值（RP2），应该是扫描时CH8转换完成后，置位了EOC标志，触发了中断。这次换个方法解决吧。

利用ADC_CHSELRADC通道选择寄存器**(只有当ADSTART=0才能写入**，该标志每次转换完成硬件会清除)：

uint8_t adc_flag = false;
uint8_t channel_switch_flag = false;
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
    if (hadc == hadc1)
    {
        if (channel_switch_flag)
        {
            adc_value[1] = HAL_ADC_GetValue(hadc);  // ADC_IN9
            hadc->Instance->CHSELR = 1 << 8;
        }
        else
        {
            adc_value[0] = HAL_ADC_GetValue(hadc);  // ADC_IN8
		    hadc->Instance->CHSELR = 1 << 9;
        }
        channel_switch_flag = ~channel_switch_flag;
        adc_flag = true;
    }
}

每次进入回调函数时，手动切换一下通道即可。

这次还挺稳定。

注意：同样需要关闭连续转换模式，不然会一直触发中断，呈现“卡死”现象。

2.3 DMA方式

2.3.1 ADC_DMA函数

// DMA方式开启ADC和DMA传输
HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);
// DMA方式关闭ADC和DMA传输
HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

• pData指向buffer缓冲区
• Length为总采集次数（对于多通道，每个通道计一次采集次数）

DMA方式触发中断的回调函数：

// 转换完成中断触发/DMA传输完成回调
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc);
// DMA半传输完成回调
void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc);

2.3.2 单通道 单次

配置DMA为普通模式、存储器自增、半字传输（12bit分辨率ADC）：

首先启动DMA传输：

int main(void){
	[...]
    
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 1);
    
    while (1){
        [...]
    }
}

DMA传输完成回调函数：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) 
{
    if (hadc == hadc1)
    {
        adc_flag = 1;
    } 
}

标志置位后需要再次启动DMA：

void adc_test(void)
{
    float adc1_vol, adc2_vol;

    if (adc_flag)
    {
        adc_flag = false;

        adc2_vol =  adc_value[0] * 3.3f / 4095.f;
        adc1_vol =  adc_value[1] * 3.3f / 4095.f;
		[...]
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 1);
    }
}

注意：单次转换length参数只能为1，否则会导致DMA没有传输完成，不会进入回调函数。

2.3.3 单通道 连续

将length改为10：

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 10);

均值滤波：

uint16_t get_adc_average(uint16_t *pbuf, uint16_t num)
{
    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < num; i++)
        sum += pbuf[i];
        
    return sum / num;
}

转换成电压值：

void adc_test(void)
{
    float adc1_vol, adc2_vol;

    if (adc_flag)
    {
        adc_flag = false;
        adc2_vol =  get_adc_average(adc_value, 10) * 3.3f / 4095.f;
        [...]
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 10);
    }
}

2.3.4 多通道 扫描

扫描模式是默认开启的，同时必须开启连续模式，否则采集一轮结束后不会继续采集，这样就不会触发DMA中断进入回调函数了。连续扫描模式下，多通道会根据length数量循环采集各通道，如ch8和ch9两通道，length为10的话，则adc_value[0][2][4][6][8]存放的就是ch8通道的采样值，adc_value[1][3][5][7][9]数组位置存放的是ch9的值：

修改一下滤波函数：

void get_adc_average(uint16_t *pbuf, uint16_t num)
{
    uint32_t odd_sum = 0, even_sum = 0;
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        if (i & 0x01)            // 奇数
            odd_sum += pbuf[i];
        else
            even_sum += pbuf[i];
    }

    adc1_val = 2 * odd_sum  / num;    
    adc2_val = 2 * even_sum / num;   
}

转换成电压值：

void adc_test(void)
{
    float adc1_vol, adc2_vol;

    if (adc_flag)
    {
        adc_flag = false;
        adc1_vol = adc1_val * 3.3f / 4095.f;
        adc2_vol = adc2_val * 3.3f / 4095.f;
        [...]
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_value, 10);
    }
}

实验发现用DMA方式采集ch8和ch9通道，两通道会相互干扰，比如ch8在0~3.3V变化，则ch9会随之在0~0.26V间浮动。

查询资料发现：采样周期越长通道间的相互干扰就越小，反之则越大。

因此，将采样周期改为最大：

最后经过测试，ch8在0~3.3V变化时，ch9不再受影响，成功解决该问题。

3 总结

• ADC一般为12bit分辨率，数据可左对齐和右对齐（一般右对齐），同时具有单次、连续、扫描、间隔模式，其中扫描模式一般用于多通道的采集（多通道默认使能）。
• 对于F1/4通道分为规则通道组与注入通道组，注入通道类似中断，可打断正在转换的规则通道组，优先转换注入通道；L0中没有注入通道，均为规则通道。
• F1/4的ADC时钟来自APB2经过ADC分配器分频后的时钟，L0的ADC时钟来自HSI（16M）。
• ADC的触发源除了内部通道外，还有外部事件触发源，比如定时器捕获，EXTI事件触发。
• ADC中断触发标志中EOC（End of any conversion）为当前通道转换结束标志，EOS（End of a sequence of conversions）为当前转换序列全部转换结束标志，即所有通道均转换完成。
• 轮询模式下，对于单通道，单次转换时每次都要调用HAL_ADC_Start函数开始转换，而对于连续转换，只要初始化调用一次HAL_ADC_Start函数，之后就会自动转换；对于多通道，HAL库要等待转换序列结束标志EOS置位，因此每次读取的都是最后一个通道的数值，最后直接使用寄存器编程解决了此问题，但是数值有跳变现象。
• 中断模式下，对于单通道，如果使用了连续模式或在单次转换模式下在ADC回调函数中调用了HAL_ADC_Start_IT(&hadc);，导致ADC中断不断触发，并且触发周期是us级别的，产生“卡死”假象，最后只能选择使用单次转换模式，同时在回调函数中设置转换完成标志，在后台系统main中再次开启ADC中断转换；对于多通道采集与轮询模式问题一致，但每次读取的都是第一个通道的数据，最后在ADC回调函数中用来回切换通道的方式解决了该问题，且ADC采集数值比较稳定，也不存在两通道干扰的现象。
• DMA模式下，对于单通道，采用单次转换时length参数只能为1，否则DMA传输到第2个数据时，ADC已关闭，传输未完成不会进入回调函数；采用连续转换时length参数可以设置任意值，且可使用均值滤波等方式减小噪声；对于多通道（必须开启连续模式），DMA会从第一个通道开始采集，采集到最后一个通道再从头开始，但是多通道同时采集时会相互干扰，最后增大ADC采样周期，解决了此问题。

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参考：

• 【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程九—ADC
• STM32L0 ADC DMA多通道多次采集
• 使用HAL库开发STM32：ADC基础使用
• STM32的ADC通道间干扰的问题
• stm32 adc过采样_STM32的ADC采样DMA方式通道间有干扰解决思路

END