STM32速成笔记—ADC
文章目录
- 一、什么是ADC
- 二、ADC的用途
- 三、STM32F103ZET6的ADC
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- 3.1 ADC通道对应引脚
- 3.2ADC时钟
- 3.3 ADC工作模式
- 3.4 ADC转换时间
- 3.5 ADC校准
- 3.6 ADC转换结果与实际电压的换算
- 四、ADC配置步骤
- 五、ADC配置程序
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- 5.1 ADC初始化程序
- 5.2 软件触发AD转换
- 5.3 读取AD转换结果
- 六、实战项目
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- 6.1 ADC初始化
- 6.2 main函数
- 七、拓展
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- 7.1 定时器触发ADC采集
- 7.2 ADC采集交流信号
- 7.3 计算交流信号有效值
一、什么是ADC
ADC（Analogto-Digital Converter）模拟数字转换器，是将模拟信号转换成数字信号的一种外设。比如某一个电阻两端的是一个模拟信号，单片机无法直接采集，此时需要ADC先将短租两端的电压这个模拟信号转化成数字信号，单片机才能够进行处理。
二、ADC的用途
ADC具有将模拟信号转换成数字信号的能力，比如将模拟的电压转换成数字信号，单片机进行处理。可以用作温度监测或者电流监测等方面，用途极广。
三、STM32F103ZET6的ADC
根据中文参考手册介绍，STM32F103ZET6单片机有3个12位ADC，共有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。ADC的输入时钟不得超过14MHz，它是由PCLK2经分频产生。
3.1 ADC通道对应引脚
STM32F103ZET6的ADC各通道对应IO如下
| 通道 | ADC1 | ADC2 | ADC3 |
|---|---|---|---|
| 通道0 | PA0 | PA0 | PA0 |
| 通道1 | PA1 | PA1 | PA1 |
| 通道2 | PA2 | PA2 | PA2 |
| 通道3 | PA3 | PA3 | PA3 |
| 通道4 | PA4 | PA4 | PA4 |
| 通道5 | PA5 | PA5 | PA5 |
| 通道6 | PA6 | PA6 | PA6 |
| 通道7 | PA7 | PA7 | PA7 |
| 通道8 | PB0 | PB0 | PB0 |
| 通道9 | PB1 | PB1 | PB1 |
| 通道10 | PC0 | PC0 | PC0 |
| 通道11 | PC1 | PC1 | PC1 |
| 通道12 | PC2 | PC2 | PC2 |
| 通道13 | PC3 | PC3 | PC3 |
| 通道14 | PC4 | PC4 | PC4 |
| 通道15 | PC5 | PC5 | PC5 |
| 通道10 | 内部温度传感器 | ||
| 通道10 | 内部参考电压VREF |
3.2ADC时钟
ADC输入时钟ADC_CLK由APB2分频产生，最大值是14MHz。库函数提供了设置分频因子的函数
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)
可选的分频因子有
#define RCC_PCLK2_Div2 ((uint32_t)0x00000000)
#define RCC_PCLK2_Div4 ((uint32_t)0x00004000)
#define RCC_PCLK2_Div6 ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_PCLK2_Div8 ((uint32_t)0x0000C000)
APB2总线时钟为72MHz，而ADC的最大工作频率为14MHz，所以，分频因子一般设置为6，这样ADC的输入时钟频率为12MHz。
3.3 ADC工作模式
根据中文参考手册介绍，STM32F1的ADC有三种工作模式
- 单次转换模式
单次转换模式下，ADC只执行一次转换。该模式既可通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位(只适用于规则通道)启动也可通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道)，这时CONT位为0。 - 连续转换模式
在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。此模式可通过外部触发启动或通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位启动，此时CONT位是1。 - 扫描模式
3.4 ADC转换时间
ADC的总转换时间与时钟频率有关，总转换时间 = 采样时间 + 12.5个周期。其中，采样时间最短为1.5个周期，也就是最短转换时间为14个时钟周期。使用软件触发时，可选择的采样时间如下
#define ADC_SampleTime_1Cycles5 ((uint8_t)0x00)
#define ADC_SampleTime_7Cycles5 ((uint8_t)0x01)
#define ADC_SampleTime_13Cycles5 ((uint8_t)0x02)
#define ADC_SampleTime_28Cycles5 ((uint8_t)0x03)
#define ADC_SampleTime_41Cycles5 ((uint8_t)0x04)
#define ADC_SampleTime_55Cycles5 ((uint8_t)0x05)
#define ADC_SampleTime_71Cycles5 ((uint8_t)0x06)
#define ADC_SampleTime_239Cycles5 ((uint8_t)0x07)
3.5 ADC校准
使能ADC后，需要对ADC进行校准。使用库函数开发时，提供了ADC校准的函数
ADC_ResetCalibration(ADC1);//重置指定的ADC的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));//获取ADC重置校准寄存器的状态
ADC_StartCalibration(ADC1);//开始指定ADC的校准状态
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//获取指定ADC的校准程序
3.6 ADC转换结果与实际电压的换算
获取到的AD转换结果并不是实际电压，如果想要得到实际电压，需要经过换算。上面介绍了，STM32的ADC为12位，也就是AD值取值范围为0~4095。采集电压范围为0到3.3V。AD值与实际电压之间存在比例关系。
实际电压 = (AD值 / 4095) * 3.3。单位为伏特（V）
四、ADC配置步骤
- 使能GPIO时钟和ADC时钟，设置引脚为模拟输入
- 设置ADC的分频因子
- 初始化ADC参数，包括ADC工作模式，规则序列等
- 使能ADC并校准
- 触发AD转换，读取AD转换值
五、ADC配置程序
5.1 ADC初始化程序
这里以配置ADC1的通道1为例，给出ADC的配置例程，分频因子设置为6，单次转换模式，软件触发。
/*
*==============================================================================
*函数名称：ADC1_Init
*函数功能：初始化ADCx
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void ADC1_Init(void)
{
// 结构体定义
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
// 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
// GPIO配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; //ADC1通道1
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
// ADC参数配置
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 关闭连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 禁止触发检测，使用软件触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // ADC初始化
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 开启AD转换器
// ADC校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 重置指定的ADC的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 获取ADC重置校准寄存器的状态
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始指定ADC的校准状态
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 获取指定ADC的校准程序
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
}
5.2 软件触发AD转换
库函数开发，配置为软件触发时，可以通过下面的函数触发AD转换
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState)
5.3 读取AD转换结果
库函数提供了用于读取AD转换结果的函数
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx)
这里给出另一个函数，用于软件触发AD转换并读取转换结果
/*
*==============================================================================
*函数名称：Get_ADC_Value
*函数功能：读取某一规则通道AD值
*输入参数：ch：规则通道ADC_Channel_x；times：读取次数
*返回值：无
*备 注：该函数配置好后，返回的结果是N次后的平均值
*==============================================================================
*/
u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)
{
u32 temp_val = 0;
u8 t;
// 设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间
// ADC1,ADC通道,239.5个周期,提高采样时间可以提高精确度
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
for(t=0;t<times;t++)
{
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
temp_val+=ADC_GetConversionValue(ADC1);
delay_ms(5);
}
return temp_val/times;
}
六、实战项目
用ADC1的通道1采集某电阻两端电压（由于普中核心板没有可供采集的电阻，可以直接将采集引脚接到3.3V查看一下结果），将结果通过串口打印到电脑。其中关于串口的配置就不再做介绍，给出ADC的配置和main函数。
6.1 ADC初始化
/*
*==============================================================================
*函数名称：ADC1_Init
*函数功能：初始化ADCx
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void ADC1_Init(void)
{
// 结构体定义
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
// 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
// GPIO配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; //ADC1通道1
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
// ADC参数配置
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 关闭连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 禁止触发检测，使用软件触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // ADC初始化
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 开启AD转换器
// ADC校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 重置指定的ADC的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 获取ADC重置校准寄存器的状态
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始指定ADC的校准状态
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 获取指定ADC的校准程序
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
}
6.2 main函数
u16 gAdcAdValue = 0; // 存储AD值
float gAdcVol = 0; // 实际电压值
int main(void)
{
Med_Mcu_Iint(); // 系统初始化
while(1)
{
gAdcAdValue = Get_ADC_Value (ADC_Channel_1,10); // 获取转换结果
gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3; // 计算实际电压
printf ("Vol=%.1f V\r\n",gAdcVol); // 串口打印结果
delay_ms (500); // 防止打印过快
}
}
七、拓展
7.1 定时器触发ADC采集
根据中文参考手册介绍，ADC可以通过定时器触发AD转换（只有PWM的上升沿可以触发AD转换）。触发方式有以下几种
- TIM1_CH1 :定时器 1 的通道 1 的 PWM 触发
- TIM1_CH2 : 定时器 2 的通道 2 的 PWM 触发
- TIM1_CH3: 定时器 1 的通道 3 的 PWM 触发
- TIM2_CH2 : 定时器 2 的通道 2 的 PWM 触发
- TIM3_TRGO: 定时器 3 触发
- TIM4_CH4 : 定时器 4 的通道 4 的 PWM 触发
这里以TIM4的通道4触发ADC采集为例，给出程序配置。
首先是定时器PWM的配置，不对引脚进行重映射。
/*
*==============================================================================
*函数名称：TIM4_CH4_PWM_Init
*函数功能：初始化定时器4的PWM通道4
*输入参数：per：自动重装载值；psc：预分频系数
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void TIM4_CH4_PWM_Init (u16 per,u16 psc)
{
// 结构体定义
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
// 初始化GPIO
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
// 初始化定时器参数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per; // 自动装载值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc; // 分频系数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 设置向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure);
// 初始化PWM参数
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // 比较输出模式
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; // 输出极性
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500; // 脉冲宽度
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
TIM_OC4Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure); // 输出比较通道2初始化
TIM_OC4PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable); // 使能TIMx在 CCR2 上的预装载寄存器
TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE); // 使能预装载寄存器
TIM_Cmd(TIM4,ENABLE); // 使能定时器
}
ADC配置程序如下，触发源选择TIM4的CH4，使能外部触发。
/*
*==============================================================================
*函数名称：ADC1_Init
*函数功能：初始化ADCx
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：无
*==============================================================================
*/
void ADC1_Init(void)
{
// 结构体定义
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
// 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
// 规则通道配置
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
// GPIO配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; //ADC1通道1
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
// ADC参数配置
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 关闭连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4; // TIM2通道2触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // ADC初始化
// 使能外部触发
ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 开启AD转换器
// ADC校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 重置指定的ADC的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 获取ADC重置校准寄存器的状态
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始指定ADC的校准状态
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 获取指定ADC的校准程序
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
}
main函数如下
u16 gAdcAdValue = 0; // 存储AD值
float gAdcVol = 0; // 实际电压值
int main(void)
{
Med_Mcu_Iint(); // 系统初始化
while(1)
{
gAdcAdValue = ADC_GetConversionValue (ADC1); // 获取转换结果
gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3; // 计算实际电压
printf ("Vol=%.1f V\r\n",gAdcVol); // 串口打印结果
delay_ms (500); // 防止打印过快
}
}
初始化定PWM时，程序为
TIM4_CH4_PWM_Init(1000,71); // 初始化TIM4的通道4
分频系数为71 + 1，自动重装载值为1000，也就是1KHz的方波，也就是触发AD转换的频率为1KHz，与占空比无关。
7.2 ADC采集交流信号
ADC能够采集的电压范围是0~3.3V，也就是说负电压无法采集。比如，需要采集下图中的一个交流信号
其位于0以下的部分是无法采集的。因此，再利用STM32采集交流信号时，在交流信号输入ADC引脚前，给交流信号增加一个直流偏置，将交流信号的最低点抬升到0以上，之后再输入ADC引脚。
7.3 计算交流信号有效值
ADC可以用于电流监测，实时监测主线路中的电流。当然，硬件方面需要搭配电流互感线圈，通过采集互感线圈两端的电压，来监测主线路电流。由于一般都是交流信号，所以需要计算有效值。
根据我们所学的知识，计算交流信号有效值常用两种方法。一种是峰峰值除以根号2，另一种是计算均方根得到有效值。通常我们采用计算均方根的方法来计算有效值。因为如果用峰峰值除以根号2去计算有效值，峰峰值很容易不准确。如果在某一个时刻，由于环境干扰或者硬件问题，导致突然出现了一个很大的值，会导致计算结果与实际偏差较大。关于为什么计算均方根可以得到交流信号的有效值，这里就不做介绍了，只给出部分程序设计。由于博主目前身边没有合适的设备验证，因此仅供参考。
假设需要计算一个50Hz交流信号的的有效值，在其输入到ADC采集引脚之前，增加一个稳定的1.65V的偏置。ADC的采样频率为1KHz，也就是一个正弦波的周期可以采集20个点。假设采集到的AD值存储到一个数组中，计算有效值的程序设计如下
int gAdcAdValue[20]; // 存储采样结果AD值的数组
int gAdcValidValue = 0; // 有效值
void Med_Adc_ValidValueCal (void)
{
int tempVar = 0; // 循环变量
int squarSum = 0; // 平方和
// 求平方和
for (tempVar = 0;tempVar < 20;tempVar ++)
{
// 减去直流偏置
gAdcAdValue[tempVar] = gAdcAdValue[tempVar] - 2048;
// 计算平方和
squarSum = squarSum + gAdcAdValue[tempVar] * gAdcAdValue[tempVar];
}
// 求平均
squarSum = squarSum / 20;
// 开根号得到均方根（有效值）
gAdcValidValue = sqrt (squarSum);
}
在进行程序设计时需要注意不要超出数据类型范围。在实际应用时肯定会存在误差，这里也简单介绍一下误差消除方法。目前用到的有两种方法，第一种是分段矫正，在不同的区间内，误差满足线性关系时可以使用。另一种是按比例矫正，这种方法常用于误差随着测量值的增大而增大的情况。在计算出有效值后，减去或者加上一定比例的计算值来做矫正。