STM32F1 ADC主要特性和結(jié)構(gòu)框圖解析

STM32F1 ADC簡(jiǎn)介

ADC（analog to digital converter）即模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。按照其轉(zhuǎn)換原理主要分為逐次逼近型、雙積分型、電壓頻率轉(zhuǎn)換型三種。STM32F1 的 ADC 就是逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

STM32F103 系列一般都有 3 個(gè) ADC，這些 ADC 可以獨(dú)立使用，也可以使用雙重/三重模式（提高采樣率）。STM32F1 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它具有多達(dá) 18 個(gè)復(fù)用通道，可測(cè)量來(lái)自 16 個(gè)外部源、2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。 這些通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。ADC 具有模擬看門狗特性，允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出用戶定義的閥值上限或者下限。

STM32F1 ADC 主要特性：

● 12 位分辨率

● 轉(zhuǎn)換結(jié)束、注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和發(fā)生模擬看門狗事件時(shí)產(chǎn)生中斷

● 單次和連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

● 從通道 0 到通道 n 的自動(dòng)掃描模式

● 自校準(zhǔn)

● 帶內(nèi)嵌數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)對(duì)齊

● 采樣間隔可以按通道分別編程

● 規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換均有外部觸發(fā)選項(xiàng)

● 間斷模式

● 雙重模式（帶 2 個(gè)或以上 ADC 的器件）

● ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)間：

─ STM32F103xx 增強(qiáng)型產(chǎn)品：時(shí)鐘為 56MHz 時(shí)為 1μs（時(shí)鐘為 72MHz 為 1.17μs）

─ STM32F101xx 基本型產(chǎn)品：時(shí)鐘為 28MHz 時(shí)為 1μs（時(shí)鐘為 36MHz 為 1.55μs）

─ STM32F102xxUSB 型產(chǎn)品：時(shí)鐘為 48MHz 時(shí)為 1.2μs

─ STM32F105xx和STM32F107xx產(chǎn)品：時(shí)鐘為56MHz時(shí)為1μs（時(shí)鐘為72MHz為 1.17μs）

● ADC 供電要求： 2.4V 到 3.6V

● ADC 輸入范圍： VREF- ≤ VIN ≤ VREF+

● 規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間有 DMA 請(qǐng)求產(chǎn)生。

STM32F1 ADC 結(jié)構(gòu)框圖

STM32F1 ADC 擁有這么多功能，是由 ADC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定。要更好地理解STM32F1 的 ADC，就需要了解它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。如圖 28.1.1 所示：

我們把 ADC 結(jié)構(gòu)框圖分成 7 個(gè)子模塊，按照順序依次進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

（1）標(biāo)號(hào) 1：電壓輸入引腳

ADC 輸入電壓范圍為： VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由 VREF-、 VREF+ 、VDDA 、 VSSA 這四個(gè)外部引腳決定。通常我們把 VSSA 和 VREF-接地，把 VREF+和 VDDA 接 3.3V，因此 ADC 的輸入電壓范圍為：0~3.3V。我們使用的開(kāi)發(fā)板 ADC輸入電壓范圍為 0~3.3V。

如果我們想讓 ADC 測(cè)試負(fù)電壓或者更高的正電壓，可以在外部加一個(gè)電壓調(diào)理電路，把需要轉(zhuǎn)換的電壓抬升或者降壓到 0~3.3V，這樣 ADC 就可以測(cè)量了。但一定記住，不要直接將高于 3.3V 的電壓接到 ADC 管腳上，那樣將可能燒壞芯片。

（2）標(biāo)號(hào) 2：輸入通道

STM32 的 ADC 的輸入通道多達(dá) 18 個(gè)，其中外部的 16 個(gè)通道就是框圖中的 ADCx_IN0、ADCx_IN1.。.ADCx_IN5（x=1/2/3，表示 ADC 數(shù)），通過(guò)這 16 個(gè)外部通道可以采集模擬信號(hào)。這 16 個(gè)通道對(duì)應(yīng)著不同的 IO 口， 具體是哪一個(gè)IO 口可以從數(shù)據(jù)手冊(cè)查詢到，也可以從圖 28.1.2 查看，同樣我們?cè)陂_(kāi)發(fā)板芯片原理圖內(nèi)也給大家標(biāo)注了。其中 ADC1 還有 2 個(gè)內(nèi)部通道：ADC1 的通道 16 連接到了芯片內(nèi)部的溫度傳感器，通道 17 連接到了內(nèi)部參考電壓 VREFINT。ADC2 和ADC3 的通道 16、 17 全部連接到了內(nèi)部的 VSS。

（3）標(biāo)號(hào) 3：通道轉(zhuǎn)換順序

外部的 16 個(gè)通道在轉(zhuǎn)換的時(shí)候可分為 2 組通道：規(guī)則通道組和注入通道組，其中規(guī)則通道組最多有 16 路，注入通道組最多有 4 路。

規(guī)則通道組：從名字來(lái)理解，規(guī)則通道就是一種規(guī)規(guī)矩矩的通道，類似于正常執(zhí)行的程序。通常我們使用的都是這個(gè)通道。

注入通道組：從名字來(lái)理解，注入即為插入，是一種不安分的通道，類似于中斷。當(dāng)程序正常往下執(zhí)行時(shí)，中斷可以打斷程序的執(zhí)行。同樣如果在規(guī)則通道轉(zhuǎn)換過(guò)程中，有注入通道插隊(duì)，那么就要先轉(zhuǎn)換完注入通道，等注入通道轉(zhuǎn)換完成后，再回到規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換流程。

每個(gè)組包含一個(gè)轉(zhuǎn)換序列，該序列可按任意順序在任意通道上完成。例如，可按以下順序?qū)π蛄羞M(jìn)行轉(zhuǎn)換： ADC_IN3、ADC_IN8、 ADC_IN2、 ADC_IN2、ADC_IN0、 ADC_IN2、 ADC_IN2、 ADC_IN15。規(guī)則通道組序列寄存器有 3 個(gè)，分別是 SQR3、 SQR2、 SQR1。 SQR3 控制著規(guī)則序列中的第一個(gè)到第六個(gè)轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的位為：SQ1［4:0］~SQ6［4:0］，第一次轉(zhuǎn)換的是位 4:0 SQ1［4:0］，如果通道 3 想第一次轉(zhuǎn)換，那么在 SQ1［4:0］寫 3即可。SQR2 控制著規(guī)則序列中的第 7 到第 12 個(gè)轉(zhuǎn)換，對(duì)應(yīng)的位為：SQ7［4:0］~SQ12［4:0］，如果通道 1 想第 8 個(gè)轉(zhuǎn)換，則 SQ8［4:0］寫 1 即可。SQR1 控 制 著 規(guī) 則 序 列 中 的 第 13 到 第 16 個(gè) 轉(zhuǎn) 換 ， 對(duì) 應(yīng) 位 為 ： SQ13［4:0］~SQ16［4:0］，如果通道 6 想第 10 個(gè)轉(zhuǎn)換，則 SQ10［4:0］寫 6 即可。具體使用多少個(gè)通道，由 SQR1 的位 L［3:0］決定，最多 16 個(gè)通道。

注入通道組序列寄存器只有一個(gè)，是 JSQR。它最多支持 4 個(gè)通道，具體多少個(gè)由 JSQR 的 JL［2:0］決定。注意：

當(dāng) JL［1:0］ = 3（有 4 次注入轉(zhuǎn)換）時(shí)， ADC 將按以下順序轉(zhuǎn)換通道：JSQ1［4:0］、JSQ2［4:0］、 JSQ3［4:0］ 和 JSQ4［4:0］。

當(dāng) JL = 2 （有 3 次注入轉(zhuǎn)換）時(shí)，ADC 將按以下順序轉(zhuǎn)換通道：JSQ2［4:0］、JSQ3［4:0］ 和 JSQ4［4:0］。

當(dāng) JL = 1 （有 2 次注入轉(zhuǎn)換）時(shí)，ADC 轉(zhuǎn)換通道的順序?yàn)椋合仁?JSQ3［4:0］，而后是 JSQ4［4:0］。

當(dāng) JL = 0（有 1 次注入轉(zhuǎn)換）時(shí)， ADC 將僅轉(zhuǎn)換 JSQ4［4:0］ 通道。

如果在轉(zhuǎn)換期間修改 ADC_SQRx 或 ADC_JSQR 寄存器，將復(fù)位當(dāng)前轉(zhuǎn)換并向ADC 發(fā)送一個(gè)新的啟動(dòng)脈沖，以轉(zhuǎn)換新選擇的通道組。

（4）標(biāo)號(hào) 4：觸發(fā)源

選擇好輸入通道，設(shè)置好轉(zhuǎn)換順序，接下來(lái)就可以開(kāi)始轉(zhuǎn)換。要開(kāi)啟 ADC轉(zhuǎn)換，可以直接設(shè)置 ADC 控制寄存器 ADC_CR2 的 ADON 位為 1，即使能 ADC。當(dāng)然 ADC 還支持外部事件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，觸發(fā)源有很多，具體選擇哪一種觸發(fā)源，由 ADC控制寄存器 2:ADC_CR2 的 EXTSEL［2:0］和 JEXTSEL［2:0］位來(lái)控制。EXTSEL［2:0］用于選擇規(guī)則通道的觸發(fā)源，JEXTSEL［2:0］用于選擇注入通道的觸發(fā)源。選定好觸發(fā)源之后，觸發(fā)源是否要激活，則由 ADC 控制寄存器 ADC_CR2 的 EXTTRIG 和JEXTTRIG 這兩位來(lái)激活。

如果使能了外部觸發(fā)事件，我們還可以通過(guò)設(shè)置 ADC 控制寄存器2:ADC_CR2 的 EXTEN［1:0］和 JEXTEN［1:0］來(lái)控制觸發(fā)極性，可以有 4 種狀態(tài)，分別是：禁止觸發(fā)檢測(cè)、上升沿檢測(cè)、下降沿檢測(cè)以及上升沿和下降沿均檢測(cè)。

（5）標(biāo)號(hào) 5：ADC 時(shí)鐘

ADC 輸入時(shí)鐘 ADC_CLK 由 APB2 經(jīng)過(guò)分頻產(chǎn)生，最大值是 14MHz，分頻因子由 RCC 時(shí)鐘配置寄存器 RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE［1:0］設(shè)置，可以是2/4/6/8 分頻，注意這里沒(méi)有 1 分頻。我們知道 APB2 總線時(shí)鐘為 72M，而 ADC最大工作頻率為 14M，所以一般設(shè)置分頻因子為 6，這樣 ADC 的輸入時(shí)鐘為 12M。

ADC 要完成對(duì)輸入電壓的采樣需要若干個(gè) ADC_CLK 周期，采樣的周期數(shù)可通過(guò) ADC 采樣時(shí)間寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP［2:0］位設(shè)置，ADC_SMPR2 控制的是通道 0~9， ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每個(gè)通道可以分別用不同的時(shí)間采樣。其中采樣周期最小是 1.5 個(gè)，即如果我們要達(dá)到最快的采樣，那么應(yīng)該設(shè)置采樣周期為 1.5 個(gè)周期，這里說(shuō)的周期就是1/ADC_CLK。

ADC 的總轉(zhuǎn)換時(shí)間跟 ADC 的輸入時(shí)鐘和采樣時(shí)間有關(guān)，其公式如下：

Tconv = 采樣時(shí)間 + 12.5 個(gè)周期

其中 Tconv 為 ADC 總轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng) ADC_CLK=14Mhz 的時(shí)候，并設(shè)置 1.5 個(gè)周期的采樣時(shí)間，則 Tcovn=1.5+12.5=14 個(gè)周期=1us。通常經(jīng)過(guò) ADC 預(yù)分頻器能分頻到最大的時(shí)鐘只能是 12M，采樣周期設(shè)置為 1.5 個(gè)周期，算出最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1.17us，這個(gè)才是最常用的。

（6）標(biāo)號(hào) 6：數(shù)據(jù)寄存器

ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)換組的不同，規(guī)則組的數(shù)據(jù)放在 ADC_DR 寄存器內(nèi)，注入組的數(shù)據(jù)放在 JDRx 內(nèi)。

因?yàn)?STM32F1 的 ADC 是 12 位轉(zhuǎn)換精度，而數(shù)據(jù)寄存器是 16 位，所以 ADC在存放數(shù)據(jù)的時(shí)候就有左對(duì)齊和右對(duì)齊區(qū)分。如果是左對(duì)齊，AD 轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)存放在 ADC_DR 寄存器的［4:15］位內(nèi)；如果是右對(duì)齊，則存放在 ADC_DR 寄存器的［0:11］位內(nèi)。具體選擇何種存放方式，需通過(guò) ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 設(shè)置。

在規(guī)則組中，含有 16 路通道，對(duì)應(yīng)著存放規(guī)則數(shù)據(jù)的寄存器只有 1 個(gè)，如果使用多通道轉(zhuǎn)換，那么轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就全部擠在 ADC_DR 寄存器內(nèi)，前一個(gè)時(shí)間點(diǎn)轉(zhuǎn)換的通道數(shù)據(jù)，就會(huì)被下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的另外一個(gè)通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)覆蓋掉，所以當(dāng)通道轉(zhuǎn)換完成后就應(yīng)該把數(shù)據(jù)取走，或者開(kāi)啟 DMA 模式，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存里面，不然就會(huì)造成數(shù)據(jù)的覆蓋。 最常用的做法就是開(kāi)啟 DMA 傳輸。如果沒(méi)有使用 DMA 傳輸，我們一般通過(guò) ADC 狀態(tài)寄存器 ADC_SR 獲取當(dāng)前 ADC 轉(zhuǎn)換的進(jìn)度狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行程序控制。

而在注入組中，最多含有 4 路通道，對(duì)應(yīng)著存放注入數(shù)據(jù)的寄存器正好有 4個(gè)，不會(huì)跟規(guī)則寄存器那樣產(chǎn)生數(shù)據(jù)覆蓋的問(wèn)題。

（7）標(biāo)號(hào) 7：中斷

當(dāng)發(fā)生如下事件且使能相應(yīng)中斷標(biāo)志位時(shí)，ADC 能產(chǎn)生中斷。

1.轉(zhuǎn)換結(jié)束（規(guī)則轉(zhuǎn)換）與注入轉(zhuǎn)換結(jié)束

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，如果使能中斷轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，轉(zhuǎn)換一結(jié)束就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。

2.模擬看門狗事件

當(dāng)被 ADC 轉(zhuǎn)換的模擬電壓低于低閾值或者高于高閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中斷，前提是我們開(kāi)啟了模擬看門狗中斷，其中低閾值和高閾值由 ADC_LTR 和ADC_HTR 設(shè)置。

3.DMA 請(qǐng)求

規(guī)則和注入通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，除了產(chǎn)生中斷外，還可以產(chǎn)生 DMA 請(qǐng)求，把轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在內(nèi)存里面。要注意的是只有 ADC1 和 ADC3 可以產(chǎn)生DMA 請(qǐng)求。一般我們?cè)谑褂?ADC 的時(shí)候都會(huì)開(kāi)啟 DMA 傳輸。我們知道 STM32F1 ADC 轉(zhuǎn)換模式有單次轉(zhuǎn)換與連續(xù)轉(zhuǎn)換區(qū)分。

在單次轉(zhuǎn)換模式下，ADC 執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^(guò) ADC_CR2 寄存器的SWSTART 位（只適用于規(guī)則通道）啟動(dòng)，也可以通過(guò)外部觸發(fā)啟動(dòng)（適用于規(guī)則通道和注入通道），這時(shí) CONT 位為 0。以規(guī)則通道為例，一旦所選擇的通道轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果將被存在 ADC_DR 寄存器中，EOC（轉(zhuǎn)換結(jié)束）標(biāo)志將被置位，如果設(shè)置了 EOCIE，則會(huì)產(chǎn)生中斷。然后 ADC 將停止，直到下次啟動(dòng)。

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，ADC 結(jié)束一個(gè)轉(zhuǎn)換后立即啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換。CONT 位為 1 時(shí)，可通過(guò)外部觸發(fā)或?qū)?ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 來(lái)啟動(dòng)此模式（僅適用于規(guī)則通道）。需要注意的是：此模式無(wú)法連續(xù)轉(zhuǎn)換注入通道。連續(xù)模式下唯一的例外情況是，注入通道配置為在規(guī)則通道之后自動(dòng)轉(zhuǎn)換（使用JAUTO 位）。

審核編輯 黃昊宇