STM32-ADC过采样实验

我们之前已经有过一些关于STM32-ADC的笔记和实验代码了，链接如下：

关于ADC的笔记1_Mr_rustylake的博客-CSDN博客

STM32-ADC单通道采集实验_Mr_rustylake的博客-CSDN博客

STM32-单通道ADC采集（DMA读取）实验_Mr_rustylake的博客-CSDN博客

STM32-ADC多通道输入实验_Mr_rustylake的博客-CSDN博客

首先简单介绍一下过采样。对于12位的STM32，其所能分辨的最小电压（即最小刻度）为3.3V / 2^12 = 0.0008V。在不改进硬件的情况下，可以通过过采样和求均值的方式提供ADC分辨率。

根据增加的分辨率位数计算过采样分辨率频率的方程：

fos = 4^w * fs，fos是过采样频率，w是希望增加的分辨率位数，fs是初始采样频率要求。

比如从12位提升ADC分辨率到16位分辨率，采样频率就要提高256倍。将采样结果求和，再将求和结果右移N位（N为用户想提升的位数，本例中为4），就能得到提高分辨率的结果了，这个过程称为抽取。

本次ADC过采样实验的实验要求是：通过ADC1通道1(PA1)过采样实现16位分辨率采集电压，并显示ADC转换的数字量和转换后的电压值。

首先确定我们的最小刻度，Vref = 3.3V，所以0V <= Vin <= 3.3V，所以最小刻度是3.3V / 65536（2^16）。

接下来确定转换时间。采样时间1.5个ADC时钟周期为例，可以得到转换时间为1.17 * 256us。

时间转换公式参考如下公式：Tcvtmin=（12.5+X）周期=(12.5 + X)/(12MHz)=1.17us。

接下来编写实验代码：

先编写函数文件adc.c：

#include "./BSP/ADC/adc.h"
 
ADC_HandleTypeDef g_adc_handle;
DMA_HandleTypeDef g_dma_handle;
uint8_t g_adc_dma_sta; //标志DMA的传输是否完成
 
void adc_dam_init(uint32_t mar){
 
    ADC_ChannelConfTypeDef adc_ch_conf;
 
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
 
    g_dma_handle.Instance = DMA1_Channel1;
    g_dma_handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;  //外设到内存
    g_dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;  //因为选取的是DMA1的数据寄存器，选择不增量
    g_dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;  //对于存储器需要存储多个数据，所以选择增量模式
    g_dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; //外设数据位宽，我们选择16位半字（全字可以理解为全角中文字符）
    g_dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;  //存储器数据位宽，我们也选择16位半字
    g_dma_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL;   //选择普通模式，因为在传输完成之后我们需要进行进一步操作现实我们获取到的值，所以选择normal
    g_dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;   //只有1个DMA随便选
 
    HAL_DMA_Init(&g_dma_handle);
    //联系DMA和ADC的句柄
    __HAL_LINKDMA(&g_adc_handle, DMA_Handle, &g_dma_handle);  //第二个参数为第一个ADC句柄的第三个成员，指向对应的DMA句柄
 
    g_adc_handle.Instance = ADC1;
    g_adc_handle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; //右对齐
    g_adc_handle.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE; //不扫描
    g_adc_handle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; //连续模式
    g_adc_handle.Init.NbrOfConversion = 1; //转换通道数为1，单通道
    g_adc_handle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; //不用间断模式
    g_adc_handle.Init.NbrOfDiscConversion = 0; //无间断模式则无间断通道
    g_adc_handle.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; //外部软件触发
 
    HAL_ADC_Init(&g_adc_handle);
 
    adc_ch_conf.Channel = ADC_CHANNEL_1;
    adc_ch_conf.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1; //转换顺序
    adc_ch_conf.SamplingTime = ADC_SMAPLINGTIME_1CYCLES_5; //设置为最大值
    HAL_ADC_ConfigChannel(&g_adc_handle, &adc_ch_conf);
 
    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Channel1_IRQn, 2, 3);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn);
 
    HAL_ADCEx_Calibration_Start(&g_adc_handle);
 
    HAL_DMA_Start_IT(&g_dma_nch_handle, (uint32_t)&ADC1->DR, mar, 0);
    HAL_ADC_Start_IT(&g_adc_nch_handle, &mar, 0);
}
 
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc){
 
    if(hadc->Instance == ADC1){
        GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
        RCC_PeriphCLKInitTypeDef adc_clk_init = {0};
 
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  //使能ADC时钟
        __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();   //使能GPIO时钟
 
        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_1;
        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; //模拟模式
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);
 
        adc_clk_init.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC; //选择ADC外设时钟设置
        adc_clk_init.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV6; //选择6分频,72/6=12MHz
 
        HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&adc_clk_init, &g_adc_handle);
    }
}
 
uint32_t adc_get_result(void){
 
    HAL_ADC_Start(&g_adc_handle);
    HAL_ADC_PollForConversion(&g_adc_handle, 10); //第二个参数比1大就行
    return (uint16_t)HAL_ADC_GetValue(&g_adc_handle);
}
 
uint32_t adc_get_result_average(uint32_t ch, uint8_t times){
 
    uint32_t temp_val = 0;
    uint8_t t;
 
    for(t = 0; t < times; t++){
        temp_val += adc_get_result();
        delay_ms(5);
    }
 
    return temp_val / times;
}
 
void adc_dma_enable(uint16_t cndtr){
    /*
    ADC1->CR2 &= ~(1 << 0); //关闭ADC
    DMA1_Channel1->CCR &= ~(1 << 0);//关闭DMA
    while(DMA1_Channel1->CCR & (1 << 0));
    DMA1_Channel1->CNDTR = cndtr;
    DMA1_Channel1->CCR |= (1 << 0); //开启DMA
    ADC1->CR2 |= (1 << 0);  //开启ADC
 
    ADC1->CR2 |= (1 << 22);  //触发规则组转换
    */
 
    //hal库法
    __HAL_ADC_DISABLE(&g_adc_nch_handle);
 
    __HAL_DNA_DISABLE(&g_dma_nch_handle);
    while(__HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_nch_handle, __HAL_DMA_GET_FLAG_INDEX(&g_dma_nch_handle)));
    DMA1_Channel1->CNDTR = cndtr;
    __HAL_DMA_ENABEL(&g_dma_nch_handle);
 
    __HAL_ADC_ENABLE(&g_adc_nch_handle);
    HAL_ADC_Start(&g_adc_nch_handle);
}
 
void DMA1_Channel1_IRQHandle(void){
 
    if(DMA1->ISR & (1 << 1)){
        g_adc_dma_sta = 1;
        DMA1->IECR |= 1 << 1;
    }
}

接下来是函数头文件adc.h：

#ifndef __ADC_H
#define __ADC_H
 
#include "SYSTEM/sys/sys.h"
#include "BSP/DMA/dma.h"
 
extern ADC_HandleTypeDef g_adc_handle;
 
void adc_dam_init(uint32_t mar);
void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef *hadc);
uint32_t adc_get_result(void);
uint32_t adc_get_result_average(uint32_t ch, uint8_t times);
void adc_dma_enable(uint16_t cndtr);
void DMA1_Channel1_IRQHandle(void);
 
#endif

接下来是主函数代码main.c：

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./USMART/usmart.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/ADC/adc.h"


/* ADC过采样技术, 是利用ADC多次采集的方式, 来提高ADC精度, 采样速度每提高4倍
 * 采样精度提高 1bit, 同时, ADC采样速度降低4倍, 如提高4bit精度, 需要256次采集
 * 才能得出1次数据, 相当于ADC速度慢了256倍. 理论上只要ADC足够快, 我们可以无限
 * 提高ADC精度, 但实际上ADC并不是无限快的, 而且由于ADC性能限制, 并不是位数无限
 * 提高结果就越好, 需要根据自己的实际需求和ADC的实际性能来权衡.
 */
#define ADC_OVERSAMPLE_TIMES    256                         /* ADC过采样次数, 这里提高4bit分辨率, 需要256倍采样 */
#define ADC_DMA_BUF_SIZE        ADC_OVERSAMPLE_TIMES * 10   /* ADC DMA采集 BUF大小, 应等于过采样次数的整数倍 */

uint16_t g_adc_dma_buf[ADC_DMA_BUF_SIZE];                   /* ADC DMA BUF */

extern uint8_t g_adc_dma_sta;                               /* DMA传输状态标志, 0,未完成; 1, 已完成 */
extern ADC_HandleTypeDef g_adc_dma_handle;                  /* ADC（DMA读取）句柄 */

int main(void)
{
    uint16_t i;
    uint32_t adcx;
    uint32_t sum;
    float temp;

    HAL_Init();                                 /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);         /* 设置时钟, 72Mhz */
    delay_init(72);                             /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                         /* 串口初始化为115200 */
    led_init();                                 /* 初始化LED */
    lcd_init();                                 /* 初始化LCD */

    adc_dma_init((uint32_t)&g_adc_dma_buf);     /* 初始化ADC DMA采集 */
    adc_channel_set(&g_adc_dma_handle, ADC_ADCX_CHY, ADC_REGULAR_RANK_1, ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5); /* 设置ADCX对应通道采样时间为1.5个时钟周期, 已达到最高的采集速度 */

    lcd_show_string(30,  50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    lcd_show_string(30,  70, 200, 16, 16, "ADC OverSample TEST", RED);
    lcd_show_string(30,  90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "ADC1_CH1_VAL:", BLUE);
    lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "ADC1_CH1_VOL:0.000V", BLUE); /* 先在固定位置显示小数点 */

    adc_dma_enable(ADC_DMA_BUF_SIZE);   /* 启动ADC DMA采集 */

    while (1)
    {
        if (g_adc_dma_sta == 1)
        {
            /* 计算DMA 采集到的ADC数据的平均值 */
            sum = 0;

            for (i = 0; i < ADC_DMA_BUF_SIZE; i++)   /* 累加 */
            {
                sum += g_adc_dma_buf[i];
            }

            adcx = sum / (ADC_DMA_BUF_SIZE / ADC_OVERSAMPLE_TIMES); /* 取平均值 */
            adcx >>= 4; /* 除以2^4倍, 得到12+4位 ADC精度值, 注意: 提高 N bit精度, 需要 >> N */

            /* 显示结果 */
            lcd_show_xnum(134, 110, adcx, 5, 16, 0, BLUE);      /* 显示ADCC采样后的原始值 */

            temp = (float)adcx * (3.3 / 65536);                 /* 获取计算后的带小数的实际电压值，比如3.1111 */
            adcx = temp;                                        /* 赋值整数部分给adcx变量，因为adcx为u16整形 */
            lcd_show_xnum(134, 130, adcx, 1, 16, 0, BLUE);      /* 显示电压值的整数部分，3.1111的话，这里就是显示3 */

            temp -= adcx;                                       /* 把已经显示的整数部分去掉，留下小数部分，比如3.1111-3=0.1111 */
            temp *= 1000;                                       /* 小数部分乘以1000，例如：0.1111就转换为111.1，相当于保留三位小数。 */
            lcd_show_xnum(150, 130, temp, 3, 16, 0X80, BLUE);   /* 显示小数部分（前面转换为了整形显示），这里显示的就是111. */

            g_adc_dma_sta = 0;                                  /* 清除DMA采集完成状态标志 */
            adc_dma_enable(ADC_DMA_BUF_SIZE);                   /* 启动下一次ADC DMA采集 */
        }

        LED0_TOGGLE();
        delay_ms(100);
    }
}

到这里我们的实验代码就编写完了。