ADC_STM32

一、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。（即将引脚上的模拟电压转化为寄存器中的数字变量，供MCU使用）
• STM32中的ADC外设，是12位逐次逼近型ADC，转化频率为1MHZ（即1微秒转化一次）
  • 逐次逼近型ADC：通过一个DAC生成对比电压，与端口电压进行比较，再改变DAC生成的电压重新比较，用二分法找出端口电压。
• 输入电压范围：0-3.3V；转换结果范围：0-4095（即2^12-1），中间都为一一对应的线性关系
• STM32的ADC最多有18个输入通道，可测量16个外部（GPIO口）和2个内部（内部CPU温度传感器、内部基准电压）信号源
• STM32的ADC可以一次性对一个组的模拟电压进行转换，而不需要一个一个进行转化。有两个转换单元：规则组（常规使用）、注入组（突发事件）
  • 在ADC转换器中（DAC电压与端口电压比较的过程），可以一次选中多个通道同时比较，规则组最多可选择16个通道，注入组最多可以选择4个通道。
  • 规则组只有一个数据寄存器，这导致多个通道同时进行ADC转换的话，会出现数据覆盖的情况，可以和DMA配合使用。
  • 注入组有四个数据寄存器，多个通道同时进行ADC转换也不会出现数据覆盖。
• ADC触发控制的方式有两种：
  • 软件触发：程序调用代码，触发ADC转换。
  • 硬件触发：指定触发源（来自定时器）触发ADC转换。
• ADC外设中有模拟看门狗，可以自动监测输入电压范围，在输入电压超过阈值高限/低限时，自动触发中断

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二、ADC基本结构

• AD转换器转换完成后有一个EOC信号输出，可以通向NVIC申请中断
• AD转换器工作模式可以选择：单次转换/连续转换，扫描模式/非扫描模式
  • 非扫描模式一次只能对一个通道进行AD转换，扫描模式能够对序列中的通道都进行AD转换
  • 连续转换模式只需要AD触发控制信号触发一次，就能持续的执行AD转换，单次转换模式每次触发控制信号触发一次只能执行一次AD转换。
• 由于AD转换器是12位的，但数据寄存器确是16位的，因此可以选择数据是左对齐还是右对齐，一般使用右对齐，高位补零，此时直接读取即为AD转换结果。
• ADC配置流程：开启RCC时钟(ADC, GPIO) → 配置ADCCLK分频器 → 配置GPIO → 配置多路开关 → 配置ADC转换器 → （如果需要）配置模拟看门狗，配置NVIC → 开关控制，开启ADC → 校准

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三、配置ADC

'1.开启RCC时钟'
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);		// ADC在总线APB2上
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
'2.配置ADCCLK分频器'
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_DIV6);		// ADCCLK配置函数，在rcc.h文件中；可以选择2,4,6,8分频
'3.配置GPIO'
// 略，需要配置为AIN模拟输入模式
'4.配置多路开关'
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_1Cycle5);
// ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_1Cycle5);	// 配置多通道就依次配置即可
'5.配置ADC转换器'
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;						// 定义结构体变量
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;		// 配置ADC工作模式（独立ADC模式/双ADC模式）
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;			// 配置扫描/非扫描模式，此处DISABLE表示非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;					// 配置扫描模式下的通道数目
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;		// 配置连续/单次转换模式，此处DISABLE表示单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	// 配置触发控制的触发源,此处选择软件触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	// 配置ADC数据寄存器左/右对齐

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);
'6.（如果需要）配置模拟看门狗和NVIC'
'7.开关控制，开启ADC'
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
'8.校准'
// 依次调用校准相关的函数即可
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);	// 此处循环，等待标志位其置1，表示复位校准完成
ADC_StartCalibration(ADC1);
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);		// 此处循环，等待标志位置1，表示校准完成
'*.ADC初始化已完成，还需编写函数以软件触发ADC并获取结果'
uint16_t AD_GetValue(void)
{
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC, ENABLE);		// 开启软件触发ADC
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);		// 循环等待AD转换完成
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);		// 返回AD转换结果
}

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四、ADC常用库函数

void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx);
		// 复位函数
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
		// ADC初始化函数
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
		// 结构体初始化函数
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
		// 开关控制函数，用于开启ADC
void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
		// DMA开启函数，用于开启DMA输出信号
void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);
		// 中断输出控制函数
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
		// 以上四个为ADC校准相关函数，ADC初始化完成后，依次调用即可
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
		// ADC软件触发函数
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartConvStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
		// 获取SWSTART标志位，但实际上该标志位并不能用来判断AD是否转换完成，因此该函数基本无用。
void ADC_DiscModeChannelCountConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Number);
		// 间断模式配置函数，每隔几个通道间断一次
void ADC_DiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
		// 间断模式开启/关闭函数
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
		// ADC规则组通道配置函数，即配置规则组的转换序列的函数
		// 参数：ADCx；通道号；序列号；采样时间
void ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
		// ADC外部触发转换控制函数
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);
		// 获取ADC转换值，即读取转换结果
uint32_t ADC_GetDualModeConversionValue(void);
		// 获取双ADC模式转换值
void ADC_AutoInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_InjectedDiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_ExternalTrigInjecConv);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartInjectedConvCmdStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_InjectedChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
void ADC_InjectedSequencerLengthConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Length);
void ADC_SetInjectedOffset(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel, uint16_t Offset);
uint16_t ADC_GetInjectedConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel);
		// 以上9个函数是对注入组的配置，略
void ADC_AnalogWatchdogCmd(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_AnalogWatchdog);
		// 模拟看门狗使能/失能函数
void ADC_AnalogWatchdogThresholdsConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t HighThreshold, uint16_t LowThreshold);
		// 配置模拟看门狗的高低阈值
void ADC_AnalogWatchdogSingleChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel);
		// 配置模拟看门狗监控的通道
void ADC_TempSensorVrefintCmd(FunctionalState NewState);
		// ADC温度传感器、参考电压控制，用于开启内部的两个通道
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
		// 获取标志位状态，可用于判断AD转换是否完成
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
		// 清除标志位状态
ITStatus ADC_GetITStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
		// 获取中断状态
void ADC_ClearITPendingBit(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
		// 清除中断状态

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五、补充

• 多通道ADC的实现：
  • 扫描模式+DMA转运：最优解
  • 扫描模式+手动转运数据：由于扫描模式下多通道全部完成ADC转换后EOC标志位才置1，因此需要使用间断模式，每完成一个通道的AD转换就间断一次 → Delay → 手动转运 → 转换下一个通道，但效率低下
  • 非扫描模式+单次转换，但多次调用软件触发函数，实现多通道的ADC。

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Reference
STM32入门教程-2023版(江科大)