【STM32】ADC模数转换器
1 ADC简介
ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器
ADC可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁
STM32是数字电路，只有高低电平，没有几V电压的概念，想读取电压值，就需要借助ADC模数转换器了。DAC则是相反的功能。
12位逐次逼近型ADC，1us转换时间
分辨率：一般用多少位来表示，0 ~ 2 ^ 12 - 1（量化结果0~4095）
转换时间：也是转换频率，从转换开始到产生结果需要花1us时间，即转换频率是1MHz
输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095
线性对应
18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源
16个GPIO口、内部温度传感器（测量CPU的温度）和内部参考电压（1.2V的基准电压）
规则组和注入组两个转换单元
模拟看门狗自动监测输入电压范围
STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道
1.1 逐次逼近型ADC
ADC0809的内部结构图，独立的8位逐次逼近型ADC芯片。
左边是8路输入通道，通过通道选择开关，选中一路，输入到比较器前进行转换；下面是地址锁存和译码（想选中哪个通道，就把通道号放在这三个引脚上，再给一个锁存信号，上面对应的通路开关就可以自动拨好了，相当于38译码器）
比较器有两个输入端，一个是待测电压，另一个是DAC（数模转换器）的电压输出端；如果DAC输出的电压比较大，就调小DAC数据；如果DAC输出的电压比较小，就增大DAC数据；直到DAC输出的电压和外部通道输入的电压近似相等，这样DAC输入的数据就是外部电压的编码数据了，这就是DAC的实现原理。一般使用二分法调节。
1.2 ADC框图
具体的
有温度传感器、内部参考电压，总共18个输入通道，接到模拟多路开关，其输出接到模数转换器，即逐次比较，转换结果放在数据寄存器里。
普通的的流程是：多路开关选中某一个通道，开始转换，等待转换完成，取出结果。
这里比较高级，可以同时选中多个，而且在转换的时候，还分成了两个组，规则通道组和注入通道组，其中规则组可以一次性最多选择16个通道，注入组一次最多选择4个通道。规则组的数据寄存器只能存储一个结果，如果不想之前的结果被覆盖，那在转换完成之后，要尽快把结果拿走（使用DMA转运数据）；注入组可以存4个结果，不用担心数据覆盖。
左下角是触发转换部分，对于STM32的ADC，触发ADC开始转换的信号有两种：一种是软件触发，程序中调用一条代码；另一种是硬件触发，就是这些触发源。上面是注入组触发源，下面是规则组触发源。这些触发源主要来自定时器，有定时器的各个通道，还有TRGO定时器主模式的输出。定时器可以通向ADC、DAC这些外设，用于触发转换。因为ADC经常需要过一个固定的时间段转换一次，正常的思路是：用定时器，每隔1ms申请一次中断，在中断里手动开始一次转换；但是频繁进中断对程序是有影响的，所以对这种需要频繁进中断，并且在中断里只完成简单的工作的情况，一般都会有硬件的支持。还可以选择外部中断引脚来触发转换。
VREF+、VREF-是ADC的参考电压，决定了ADC的输入电压范围，VDDA、VSSA是ADC的供电引脚，一般情况下VREF+接VDDA，VREF-接VSSA。
右边这里是ADCCLK是ADC的时钟，是用于驱动内部逐次比较的时钟，这个时钟来自ADC的预分频器，而ADC预分频器来自RCC的。
模拟看门狗里面可以存储阈值高限和阈值底限，如果指定了模拟看门狗，并且指定了看门的通道，越限之后，它就会乱叫，在上面申请一个模拟看门狗中断，最后通向NVIC。
对于规则组和注入组，转换完成之后，也会有一个EOC转换完成的信号，EOC是规则组的完成信号，JEOC是注入组完成的信号，这两个信号会在状态寄存器里置一个标志位，读取这个标志位就可以知道是不是转换完成了；同时这两个标志位也可以去到NVIC，申请中断，如果开启了NVIC对应的通道，它们就会触发中断。
1.3 ADC基本结构
左边是输入通道，16个GPIO口外加两个内部通道，然后进入AD转换器。AD转换器里有两个组，一个是规则组，一个是注入组，规则组最多选择16个通道，注入组最多选择4个通道，然后转换的结果存在AD数据寄存器里，其中规则组只有一个数据寄存器，而注入组有4个数据寄存器。下面有触发控制，触发控制可以选择软件触发和硬件触发，硬件触发主要是来自定时器，当然也可以选择外部中断的引脚；右边是来自RCC的ADC时钟CLOCK，ADC逐次比较的功能就是这个时钟推动的。然后上面可以布置一个模拟看门狗用于检测转换结果的范围，如果超出设定的阈值，就通过中断输出控制，向NVIC申请中断。另外规则组和注入组完成之后会有个EOC信号，它会置一个标志位，当然也可以通向NVIC。右下角有个开关控制，在库函数中就是ADC_Cmd，用于给ADC上电的。
1.4 输入通道
| 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 |
PF6 |
| 通道5 |
PA5 |
PA5 |
PF7 |
| 通道6 |
PA6 |
PA6 |
PF8 |
| 通道7 |
PA7 |
PA7 |
PF9 |
| 通道8 |
PB0 |
PB0 |
PF10 |
| 通道9 |
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 |
|
| 通道15 |
PC5 |
PC5 |
|
| 通道16 |
温度传感器 |
||
| 通道17 |
内部参考电压 |
ADC通道和引脚复用的关系。
ADC12_IN0的意思是ADC1和ADC2的IN0都是在PA0上的。以此类推。双ADC模式。
1.5 规则组的转换模式
在ADC初始化中会有两个参数，一个是选择单次转换还是连续转换；另一个是扫描模式还是非扫描
1.5.1 单次转换，非扫描模式
这个列表就是规则组里面的菜单，有16个空位。可以在这里写入要转换的通道，比如通道2，在非扫描的模式下，这个菜单就只有第一个序列1的位置有效。这时菜单同时选中一组的方式就退化成简单地选中一个的方式了，在这里可以在序列1的位置指定想转换的通道，比如通道2，然后触发转换，ADC就会对通道2进行模数转换，过一小段时间后，转换完成，转换结果放在数据寄存器里，同时给EOC标志位置1，整个转换过程就结束了。判断EOC标志位来确定转换是否完成。如果想再启动一次转换，那就需要再触发一次，转换结束，置EOC标志位，读结果。如果想换一个通道转换，那就在转换之前把第一个位置的通道2改成其他通道，再启动转换就可以了。这就是单次转换、非扫描的转换模式。
1.5.2 连续转换，非扫描模式
首先还是非扫描模式。所以菜单列表就只用第一个，然后与上一个单次转换不同的是它在一次转换结束后不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，然后一直持续下去。只触发一次就可以转换了。
好处是：开始转换之后不需要等待一段时间，因为一直在转换，所以也不需要手动开始转换，也不用判断是否结束，想要读AD值的时候，直接从寄存器取就是了。
1.5.3 单次转换，扫描模式
单次转换，每触发一次，转换结束后，就会停下来。扫描模式会用到菜单列表，选择通道，可以任意指定，可以重复，初始化结构体中有个参数指定通道数目。这里为了防止数据被覆盖，就需要用DMA及时将数据挪走，7个通道转换完成之后，产生EOC信号，转换结束。再触发下一次，开始新的转换。
1.5.4 连续转换，扫描模式
在上一个模式的基础上变了，就是一次转换完成后，立刻开始下一次转换。
还有间断模式，每隔几个转换，暂停一次需要再次触发才能继续。
1.6 触发控制
这个表是规则组的触发源，有来自定时器的信号，也有来自外部引脚/片上外设的信号，具体需要AFIO重映射。还有软件触发。这些触发信号通过右边寄存器的位来完成。
1.7 数据对齐
ADC是12位的，但是数据寄存器是16位的，因此存在一个数据对齐的问题
数据右对齐（一般是这个）
数据左对齐
有点像大端模式，小端模式
1.8 转换时间
AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码
STM32 ADC的总转换时间为：TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期（12位）
例如：当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期
TCONV = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期 = 1μs
1.9 校准
ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差
建议在每次上电后执行一次校准
启动校准前， ADC必须处于关电状态超过至少两个ADC时钟周期
1.10 硬件电路
第一个是电位器产生一个可调的电压，这里电位器的两个固定端，一个接3.3，一个接GND，这样中间的滑动端就可以输出一个0~3.3的可调电压输出了。这里可以接ADC的输入通道，比如PA0口；滑动端往上滑时，电压增大，往下滑时，电压减小。阻值不宜太小。
第二个是传感器输出电压的电路，一般是光敏电阻、热敏电阻、红外接收管、麦克风等。串联分压，当传感器阻值变小时，下拉作用变强，输出端电压就下降；反之，输出端电压增大。
第三个是电压转换电路，比如想测0~5V的VIN电压，但是ADC只能接收0~3.3V的电压，分压。
手册
2 AD单通道
2.1 接线图
2.2 模块封装
按这个初始化
相关库函数
// 在rcc.h中
// 配置ADCCLK分频器，2/4/6/8分频
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);
void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx); // 恢复缺省设置
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct); // 初始化
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct); // 结构体初始化
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState); // 给ADC上电的
// 中断输出控制，用于某个中断，能不能通往NVIC
void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);
// 复位校准/获取复位状态/开始校准/获取开始校准状态
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
// ADC软件开始转换控制，软件触发
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
// 配置间断模式
void ADC_DiscModeChannelCountConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Number); // 每隔几个通道间断一次
void ADC_DiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState); // 是否启用间断模式
// ADC规则组通道配置
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
// ADC外部触发转换控制
void ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
// ADC获取转换值
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);
// ADC获取双模式转换值
uint32_t ADC_GetDualModeConversionValue(void);
// 获取标志位状态/清除标志位状态/获取中断状态/清除中断挂起位
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
ITStatus ADC_GetITStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
void ADC_ClearITPendingBit(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
// 带Injected是注入组的函数版本1：单次转换非扫描
AD.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
// AD初始化函数
void AD_Init(void)
{
// 1开启RCC时钟，ADC、GPIO
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 72M / 6 = 12M
// 2配置GPIO模拟输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 3配置多路开关，选择规则组的输入通道，指定通道/规则组序列器的次序/通道采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
// 4配置ADC转换器
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 外部触发选择，不使用外部触发
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 工作模式(独立/双ADC)
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次/连续转换
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 通道数目
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 扫描/非扫描转换
// 单次转换非扫描模式
// 单次转换/连续转换 扫描/非扫描
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
// 5开关控制
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
// 6校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET); // 等待复位校准完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET); // 等待校准完成
}
// 获取转换结果
uint16_t AD_GetValue(void)
{
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 软件触发转换
while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); // 等待转换完成
return ADC_GetConversionValue(ADC1); // 返回转换值
}
版本2：连续转换非扫描
#include "stm32f10x.h" // Device header
// AD初始化函数
void AD_Init(void)
{
// 1开启RCC时钟，ADC、GPIO
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 72M / 6 = 12M
// 2配置GPIO模拟输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 3配置多路开关，选择规则组的输入通道，指定通道/规则组序列器的次序/通道采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
// 4配置ADC转换器
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 外部触发选择，不使用外部触发
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 工作模式(独立/双ADC)
// ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次/连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // 单次/连续转换
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 通道数目
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 扫描/非扫描转换
// 单次转换非扫描模式
// 单次转换/连续转换 扫描/非扫描
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
// 5开关控制
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
// 6校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET); // 等待复位校准完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET); // 等待校准完成
// 加到这里触发一次
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 软件触发转换
}
// 获取转换结果
uint16_t AD_GetValue(void)
{
// ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 软件触发转换
// while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); // 等待转换完成
return ADC_GetConversionValue(ADC1); // 返回转换值
}
2.3 主函数
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
uint16_t ADValue;
float voltage;
int main()
{
OLED_Init(); // 初始化OLED
AD_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");
OLED_ShowString(2, 1, "Voltage:0.00v"); // 将转换结果换算成电压值
while (1)
{
ADValue = AD_GetValue();
voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3; // 实际电压值
OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);
OLED_ShowNum(2, 9, voltage, 1); // 显示整数部分
OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(voltage * 100) % 100, 2); // 显示小数
Delay_ms(100);
}
}
3 AD多通道
3.1 接线图
使用了4个通道
3.2 模块封装
单次转换非扫描
#include "stm32f10x.h" // Device header
// AD初始化函数
void AD_Init(void)
{
// 1开启RCC时钟，ADC、GPIO
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); // 72M / 6 = 12M
// 2配置GPIO模拟输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 3配置多路开关，选择规则组的输入通道，指定通道/规则组序列器的次序/通道采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
// 4配置ADC转换器
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 外部触发选择，不使用外部触发
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 工作模式(独立/双ADC)
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 通道数目
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 非扫描转换
// 单次转换非扫描模式
// 单次转换/连续转换 扫描/非扫描
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
// 5开关控制
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
// 6校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET); // 等待复位校准完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET); // 等待校准完成
}
// 获取转换结果
uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel)
{
// 3配置多路开关，选择规则组的输入通道，指定通道/规则组序列器的次序/通道采样时间
// 填充通道
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 软件触发转换
while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); // 等待转换完成
return ADC_GetConversionValue(ADC1); // 返回转换值
}
3.3 主函数
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
uint16_t AD0, AD1, AD2, AD3;
int main()
{
OLED_Init(); // 初始化
AD_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "AD0:");
OLED_ShowString(2, 1, "AD1:");
OLED_ShowString(3, 1, "AD2:");
OLED_ShowString(4, 1, "AD3:");
while (1)
{
AD0 = AD_GetValue(ADC_Channel_0);
AD1 = AD_GetValue(ADC_Channel_1);
AD2 = AD_GetValue(ADC_Channel_2);
AD3 = AD_GetValue(ADC_Channel_3);
OLED_ShowNum(1, 5, AD0, 4);
OLED_ShowNum(2, 5, AD1, 4);
OLED_ShowNum(3, 5, AD2, 4);
OLED_ShowNum(4, 5, AD3, 4);
Delay_ms(100);
}
}