STM32学习笔记--ADC

一、ADC原理

1.ADC概述

  ADC是Analog-to-Digital Converter的缩写，模/数转换器或者模拟/数字转换器的简称，是指将模拟信号转换为数字信号的器件。
  通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，而输出的数字量则表示输入信号相对于参考电压的大小。 因此，模拟数字转换器将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号。

2.STM32ADC介绍

  STM32F103系列拥有3个12位分辨率的独立ADC控制器，是一种12位逐次逼近型模拟数字转换器。它有多达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。
  其主要功能特点如下：
  ● 12位分辨率
  ● 转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断
  ● 单次和连续转换模式
  ● 从通道0到通道n的自动扫描模式
  ● 带内嵌数据一致性的数据对齐
  ● 采样间隔可以按通道分别编程
  ● 规则转换和注入转换均有外部触发选项
  ● 间断模式
  ● 双重模式(带2个或以上ADC的器件)
  ● ADC供电要求：2.4V到3.6V
  ● ADC输入范围：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+
  ● 规则通道转换期间有DMA请求产生。

3.STM32ADC工作原理

  ADC结构框图如下：


(1)电源及电压输入范围
  ADC 输入范围为：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由VREF-、VREF+ 、VDDA、VSSA、这四个外部引脚决定。

  在设计原理图的时候一般把VSSA 和VREF-接地，把VREF+和VDDA 接3.3V，得到ADC 的输入电压范围为：0~3.3V。
(2)输入通道
  ADC具有18个通道，其中外部通道16个，可最多测量16个外部和2个内部信号源。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。
  外部的16个通道在转换的时候，可以把转换组织成两组规则通道组和注入通道组，其中规则通道最多有16路，注入通道最多有 4 路。
  1）规则通道：就是按照顺序依次转换，相当正常运行的程序。我们平时一般使用的就是这个通道。
  2）注入通道：是一种在规则通道转换的时候强行插入要转换的一种。属于一种紧急的转换通道，它只有在外部信号触发的时候才会启动，就跟中断一样。当有触发信号来的时候，注入通道就会打断规则通道的转换，去执行注入通道，等注入通道转换完毕之后又回到规则通道转换继续执行。所以，注入通道只有在规则通道存在时才会出现。

（3）通道转换顺序
  可以在任意多个通道上以任意顺序进行的一系列转换，这是就需要设置转换顺序，最多达16个转换通道，可编程设定采样时间和转换序列 。
  1）规则通道组转换顺序
  ❖ 可编程设定规则通道的数量最多16个通道
  ❖ 可编程设定采样时间和转换序列
  规则通道的数量和它的转换顺序在ADC_SQRx寄存器中选择，规则通道组转换的总数应写入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]中。

  2）注入组转换顺序
  ❖ 可编程设定注入通道的数量：最多4个通道
  ❖ 可编程设定采样时间和转换序列
  注入通道的数量和它的转换顺序在ADC_JSQR寄存器中选择。注入通道组里转化的总数应写入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]中.

（4）触发方式
  1）直接配置寄存器触发，通过配置控制寄存器CR2的ADON位，写1时开始转换，写0时停止转换。在程序运行过程中只要调用库函数，将CR2寄存器的ADON位置1就可以进行转换，比较好理解。
  2）通过内部定时器或者外部IO触发转换，也就是说可以利用内部时钟让ADC进行周期性的转换，也可以利用外部IO使ADC在需要时转换，具体的触发由控制寄存器CR2决定。
（5）转换时间
  1）ADC时钟
  ADC 输入时钟ADCCLK由高速APB2时钟PCLK2经2、4、6或8分频后获得。ADC的输入时钟不得超过14MHz！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。一般我们设置PCLK2=HCLK=72M Hz 。
  2）采样时间
  ADC 使用若干个ADC_CLK 周期对输入的电压进行采样。采样时间=采样周期数×TADC_CLK，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个周期，这里说的周期就是1/ADC_CLK频率。
  3）转换时间
  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，采样时间=采样周期数×TADC_CLK
  ➢ 时钟为56MHz时：
  ADC_CLK = 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）为1μs；Tconv = 1.5 周期 + 12.5 周期 = 14 周期 = 1us。
  ➢ 时钟为72MHz时：
  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 Hz，采样周期设置为1.5 个周期，可算出最短的转换时间为1.17us。
（6）数据寄存器
  转换完成后的数据就存放在数据寄存器中，但数据的存放也分为规则通道转换数据和注入通道转换数据的。
  ◆ADC_DR规则通道数据寄存器

 ◆注入数据寄存器x (ADC_JDRx) (x= 1…4)

(7)转换模式
  STM32F1的ADC的各通道可以单次、连续、扫描等模式执行转换。
  1）单次转换模式
  单次转换模式下，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。 一旦选择通道的转换完成：
  ● 如果一个规则通道被转换：
    ─ 转换数据被储存在16位ADC_DR寄存器中
    ─ EOC(转换结束)标志被设置
    ─ 如果设置了EOCIE，则产生中断。
  ● 如果一个注入通道被转换：
    ─ 转换数据被储存在16位的ADC_DRJ1寄存器中
    ─ JEOC(注入转换结束)标志被设置
    ─ 如果设置了JEOCIE位，则产生中断。
  2）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。 每个转换后：
  ● 如果一个规则通道被转换：
    ─ 转换数据被储存在16位的ADC_DR寄存器中
    ─ EOC(转换结束)标志被设置
    ─ 如果设置了EOCIE，则产生中断。
  ● 如果一个注入通道被转换：
    ─ 转换数据被储存在16位的ADC_DRJ1寄存器中
    ─ JEOC(注入转换结束)标志被设置
    ─ 如果设置了JEOCIE位，则产生中断。
  3）扫描模式
  此模式用来扫描一组模拟通道。
  扫描模式可通过设置ADC_CR1寄存器的SCAN位来选择。一旦这个位被设置，ADC扫描所有被ADC_SQRX寄存器(对规则通道)或ADC_JSQR(对注入通道)选中的所有通道。在每个组的每个通道上执行单次转换。在每个转换结束时，同一组的下一个通道被自动转换。如果设置了CONT位，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。
  在扫描模式下，由ADC_SQRx或者ADC_JSQRx寄存器选中的通道被转换。如果设置了EOCIE或者JEOCIE，在最后一个通道转换完毕后才会产生EOC或者JEOC中断。

二、STM32ADC库函数配置

  以ADC1的通道1为例。
1.开启PA口和ADC1时钟，设置PA1为模拟输入。
  STM32F103RCT6 的 ADC 通道 1 在 PA1 上，所以，我们先要使能 PORTA 的时钟，然后设置 PA1 为模拟输入。使能 GPIOA 和 ADC 时钟用RCC_APB2PeriphClockCmd 函数，设置 PA1的输入方式，使用 GPIO_Init 函数即可。
2.复位 ADC1，同时设置 ADC1 分频因子。
  开启 ADC1 时钟之后，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);

  ADC 时钟复位的方法是：

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。
  在设置完分频因子之后，我们就可以开始 ADC1 的模式配置了，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。同时，我们还要设置 ADC1 规则序列的相关信息，我们这里只有一个通道，并且是单次转换的，所以设置规则序列中通道数为 1。这些在库函数中是通过函数 ADC_Init 实现的，下面我们看看其定义：

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct)；

  从函数定义可以看出，第一个参数是指定 ADC 号。这里我们来看看第二个参数，跟其他外设初始化一样，同样是通过设置结构体成员变量的值来设定参数。

typedef struct
{
 uint32_t ADC_Mode;
 FunctionalState ADC_ScanConvMode;
 FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;
 uint32_t ADC_ExternalTrigConv;
 uint32_t ADC_DataAlign;
 uint8_t ADC_NbrOfChannel;
}ADC_InitTypeDef;

  参数 ADC_Mode 故名是以是用来设置 ADC 的模式。前面讲解过，ADC 的模式非常多，包括独立模式，注入同步模式等等，这里我们选择独立模式，所以参数为 ADC_Mode_Independent。
  参数 ADC_ScanConvMode 用来设置是否开启扫描模式，因为我们的实验是单通道单次转换，所以这里我们选择不开启值 DISABLE 即可。
  参数 ADC_ContinuousConvMode 用来设置是否开启连续转换模式，因为是单次转换模式，所以我们选择不开启连续转换模式，DISABLE 即可。
  参数 ADC_ExternalTrigConv 是用来设置启动规则转换组转换的外部事件，这里我们选择软件触发，选择值为 ADC_ExternalTrigConv_None 即可。
  参数 DataAlign 用来设置 ADC 数据对齐方式是左对齐还是右对齐，这里我们选择右对齐方式ADC_DataAlign_Right。
  参数 ADC_NbrOfChannel 用来设置规则序列的长度，我们实验只开启一个通道，所以值为 1 即可。
  代码：

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
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

4.使能 ADC 并校准。
  在设置完了以上信息后，我们就使能 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。使能指定的 ADC 的方法是：

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1

  执行复位校准的方法是：

ADC_ResetCalibration(ADC1);

  执行 ADC 校准的方法是：

ADC_StartCalibration(ADC1); //开始指定 ADC1 的校准状态

  记住，每次进行校准之后要等待校准结束。这里是通过获取校准状态来判断是否校准是否结束。
  下面我们一一列出复位校准和 AD 校准的等待结束方法：

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。
  在上面的校准完成之后，ADC 就算准备好了。接下来我们要做的就是设置规则序列 1 里面的通道，采样顺序，以及通道的采样周期，然后启动 ADC 转换。在转换结束后，读取 ADC 转换结果值就是了。这里设置规则序列通道以及采样周期的函数是：

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 );

  软件开启 ADC 转换的方法是：

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//使能指定的 ADC1 的软件转换启动功能

  开启转换之后，就可以获取转换 ADC 转换结果数据，方法是：

ADC_GetConversionValue(ADC1);

  同时在 AD 转换中，我们还要根据状态寄存器的标志位来获取 AD 转换的各个状态信息。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)

  比如我们要判断 ADC1d 的转换是否结束，方法是：

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束

参考资料

  1.STM32—ADC详解
  2.【STM32】ADC的基本原理、寄存器（超基础、详细版）