詳解STM32中的ADC

ADC簡介

STM32F103系列有3個ADC，精度為12位，每個ADC最多有16個外部通道。其中ADC1和ADC2都有16個外部通道，ADC3一般有8個外部通道，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷執(zhí)行，ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以左對齊或右對齊儲存在16位數(shù)據(jù)寄存器中。ADC的輸入時鐘不得超過14MHz，其時鐘頻率由PCLK2分頻產(chǎn)生。

ADC功能框圖講解

學習STM32開發(fā)板上的外設(shè)時首先要了解其外設(shè)的功能框圖，如下：

功能框圖可以大體分為7部分，下面一一講解：

電壓輸入范圍

ADC所能測量的電壓范圍就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+，把 VSSA 和 VREF-接地，把 VREF+和 VDDA 接 3V3，得到ADC 的輸入電壓范圍為：0~3.3V。

輸入通道

ADC的信號輸入就是通過通道來實現(xiàn)的，信號通過通道輸入到單片機中，單片機經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，將模擬信號輸出為數(shù)字信號。STM32中的ADC有著18個通道，其中外部的16個通道已經(jīng)在框圖中標出，如下：

這16個通道對應(yīng)著不同的IO口，此外ADC1/2/3 還有內(nèi)部通道：ADC1 的通道 16 連接到了芯片內(nèi)部的溫度傳感器， Vrefint 連接到了通道 17。ADC2 的模擬通道 16 和 17 連接到了內(nèi)部的 VSS。

ADC的全部通道如下圖所示：

外部的16個通道在轉(zhuǎn)換時又分為規(guī)則通道和注入通道，其中規(guī)則通道最多有16路，注入通道最多有4路（注入通道貌似使用不多），下面簡單介紹一下兩種通道：

規(guī)則通道顧名思義就是，最平常的通道、也是最常用的通道，平時的ADC轉(zhuǎn)換都是用規(guī)則通道實現(xiàn)的。

注入通道是相對于規(guī)則通道的，注入通道可以在規(guī)則通道轉(zhuǎn)換時，強行插入轉(zhuǎn)換，相當于一個“中斷通道”吧。當有注入通道需要轉(zhuǎn)換時，規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換會停止，優(yōu)先執(zhí)行注入通道的轉(zhuǎn)換，當注入通道的轉(zhuǎn)換執(zhí)行完畢后，再回到之前規(guī)則通道進行轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換順序

知道了ADC的轉(zhuǎn)換通道后，如果ADC只使用一個通道來轉(zhuǎn)換，那就很簡單，但如果是使用多個通道進行轉(zhuǎn)換就涉及到一個先后順序了，畢竟規(guī)則轉(zhuǎn)換通道只有一個數(shù)據(jù)寄存器。多個通道的使用順序分為倆種情況：規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換順序和注入通道的轉(zhuǎn)換順序。

規(guī)則通道中的轉(zhuǎn)換順序由三個寄存器控制：SQR1、SQR2、SQR3，它們都是32位寄存器。SQR寄存器控制著轉(zhuǎn)換通道的數(shù)目和轉(zhuǎn)換順序，只要在對應(yīng)的寄存器位SQx中寫入相應(yīng)的通道，這個通道就是第x個轉(zhuǎn)換。具體的對應(yīng)關(guān)系如下：

通過SQR1寄存器就能了解其轉(zhuǎn)換順序在寄存器上的實現(xiàn)了：

和規(guī)則通道轉(zhuǎn)換順序的控制一樣，注入通道的轉(zhuǎn)換也是通過注入寄存器來控制，只不過只有一個JSQR寄存器來控制，控制關(guān)系如下：

需要注意的是，只有當JL=4的時候，注入通道的轉(zhuǎn)換順序才會按照JSQ1、JSQ2、JSQ3、JSQ4的順序執(zhí)行。當JL<4時，注入通道的轉(zhuǎn)換順序恰恰相反，也就是執(zhí)行順序為：JSQ4、JSQ3、JSQ2、JSQ1。

配置轉(zhuǎn)換順序的函數(shù)如下代碼所示：

/**
  * @brief  Configures for the selected ADC regular channel its corresponding
  *         rank in the sequencer and its sample time.
  * @param  ADCx: where x can be 1, 2 or 3 to select the ADC peripheral.
  * @param  ADC_Channel: the ADC channel to configure. 
  *   This parameter can be one of the following values:
  *     @arg ADC_Channel_0: ADC Channel0 selected
  *     @arg ADC_Channel_1: ADC Channel1 selected
  *     @arg ADC_Channel_2: ADC Channel2 selected
  *     @arg ADC_Channel_3: ADC Channel3 selected
  *     @arg ADC_Channel_4: ADC Channel4 selected
  *     @arg ADC_Channel_5: ADC Channel5 selected
  *     @arg ADC_Channel_6: ADC Channel6 selected
  *     @arg ADC_Channel_7: ADC Channel7 selected
  *     @arg ADC_Channel_8: ADC Channel8 selected
  *     @arg ADC_Channel_9: ADC Channel9 selected
  *     @arg ADC_Channel_10: ADC Channel10 selected
  *     @arg ADC_Channel_11: ADC Channel11 selected
  *     @arg ADC_Channel_12: ADC Channel12 selected
  *     @arg ADC_Channel_13: ADC Channel13 selected
  *     @arg ADC_Channel_14: ADC Channel14 selected
  *     @arg ADC_Channel_15: ADC Channel15 selected
  *     @arg ADC_Channel_16: ADC Channel16 selected
  *     @arg ADC_Channel_17: ADC Channel17 selected
  * @param  Rank: The rank in the regular group sequencer. This parameter must be between 1 to 16.
  * @param  ADC_SampleTime: The sample time value to be set for the selected channel. 
  *   This parameter can be one of the following values:
  *     @arg ADC_SampleTime_1Cycles5: Sample time equal to 1.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_7Cycles5: Sample time equal to 7.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_13Cycles5: Sample time equal to 13.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_28Cycles5: Sample time equal to 28.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_41Cycles5: Sample time equal to 41.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_55Cycles5: Sample time equal to 55.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_71Cycles5: Sample time equal to 71.5 cycles
  *     @arg ADC_SampleTime_239Cycles5: Sample time equal to 239.5 cycles
  * @retval None
  */
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)
{
  函數(shù)內(nèi)容略;
}

觸發(fā)源

ADC轉(zhuǎn)換的輸入、通道、轉(zhuǎn)換順序都已經(jīng)說明了，但ADC轉(zhuǎn)換是怎么觸發(fā)的呢？就像通信協(xié)議一樣，都要規(guī)定一個起始信號才能傳輸信息，ADC也需要一個觸發(fā)信號來實行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

其一就是通過直接配置寄存器觸發(fā)，通過配置控制寄存器CR2的ADON位，寫1時開始轉(zhuǎn)換，寫0時停止轉(zhuǎn)換。在程序運行過程中只要調(diào)用庫函數(shù)，將CR2寄存器的ADON位置1就可以進行轉(zhuǎn)換，比較好理解。

另外，還可以通過內(nèi)部定時器或者外部IO觸發(fā)轉(zhuǎn)換，也就是說可以利用內(nèi)部時鐘讓ADC進行周期性的轉(zhuǎn)換，也可以利用外部IO使ADC在需要時轉(zhuǎn)換，具體的觸發(fā)由控制寄存器CR2決定。

在參考手冊中可以找到，ADC_CR2寄存器的詳情如下：

轉(zhuǎn)換時間

還有一點，就是轉(zhuǎn)換時間的問題，ADC的每一次信號轉(zhuǎn)換都要時間，這個時間就是轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換時間由輸入時鐘和采樣周期來決定。

由于ADC在STM32中是掛載在APB2總線上的，所以ADC的時鐘是由PCLK2（72MHz）經(jīng)過分頻得到的，分頻因子由 RCC 時鐘配置寄存器RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE[1:0]設(shè)置，可以是 2/4/6/8 分頻，一般配置分頻因子為8，即8分頻得到ADC的輸入時鐘頻率為9MHz。

采樣周期是確立在輸入時鐘上的，配置采樣周期可以確定使用多少個ADC時鐘周期來對電壓進行采樣，采樣的周期數(shù)可通過 ADC采樣時間寄存器 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。每個通道可以配置不同的采樣周期，但最小的采樣周期是1.5個周期，也就是說如果想最快時間采樣就設(shè)置采樣周期為1.5.

轉(zhuǎn)換時間=采樣時間+12.5個周期

12.5個周期是固定的，一般我們設(shè)置 PCLK2=72M，經(jīng)過 ADC 預分頻器能分頻到最大的時鐘只能是 12M，采樣周期設(shè)置為 1.5 個周期，算出最短的轉(zhuǎn)換時間為 1.17us。

數(shù)據(jù)寄存器

轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)就存放在數(shù)據(jù)寄存器中，但數(shù)據(jù)的存放也分為規(guī)則通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和注入通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的。

規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器負責存放規(guī)則通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，通過32位寄存器ADC_DR來存放：

當使用ADC獨立模式（也就是只使用一個ADC，可以使用多個通道）時，數(shù)據(jù)存放在低16位中，當使用ADC多模式時高16位存放ADC2的數(shù)據(jù)。需要注意的是ADC轉(zhuǎn)換的精度是12位，而寄存器中有16個位來存放數(shù)據(jù)，所以要規(guī)定數(shù)據(jù)存放是左對齊還是右對齊。

當使用多個通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生多個轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然鵝數(shù)據(jù)寄存器只有一個，多個數(shù)據(jù)存放在一個寄存器中會覆蓋數(shù)據(jù)導致ADC轉(zhuǎn)換錯誤，所以我們經(jīng)常在一個通道轉(zhuǎn)換完成之后就立刻將數(shù)據(jù)取出來，方便下一個數(shù)據(jù)存放。一般開啟DMA模式將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，傳輸在一個數(shù)組中，程序?qū)?shù)組讀操作就可以得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

DMA的使用之前介紹過：DMA介紹。

注入通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寄存器有4個，由于注入通道最多有4個，所以注入通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都有固定的存放位置，不會跟規(guī)則寄存器那樣產(chǎn)生數(shù)據(jù)覆蓋的問題。ADC_JDRx 是 32 位的，低 16 位有效，高 16 位保留，數(shù)據(jù)同樣分為左對齊和右對齊，具體是以哪一種方式存放，由ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 設(shè)置。

中斷

????

從框圖中可以知道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后可以產(chǎn)生中斷，有三種情況：

規(guī)則通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，可以產(chǎn)生一個中斷，可以在中斷函數(shù)中讀取規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器的值。這也是單通道時讀取數(shù)據(jù)的一種方法。

注入通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，可以產(chǎn)生一個中斷，并且也可以在中斷中讀取注入數(shù)據(jù)寄存器的值，達到讀取數(shù)據(jù)的作用。

當輸入的模擬量（電壓）不再閾值范圍內(nèi)就會產(chǎn)生看門狗事件，就是用來監(jiān)視輸入的模擬量是否正常。

以上中斷的配置都由ADC_SR寄存器決定：

當然，在轉(zhuǎn)換完成之后也可以產(chǎn)生DMA請求，從而將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中讀取到內(nèi)存中。

電壓轉(zhuǎn)換

要知道，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是一個12位的二進制數(shù)，我們需要把這個二進制數(shù)代表的模擬量（電壓）用數(shù)字表示出來。比如測量的電壓范圍是0~3.3V，轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)是x，因為12位ADC在轉(zhuǎn)換時將電壓的范圍大?。ㄒ簿褪?.3）分為4096（2^12）份，所以轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)x代表的真實電壓的計算方法就是：

y=3.3* x / 4096

初始化結(jié)構(gòu)體

每個外設(shè)的核心就是其對應(yīng)的初始化結(jié)構(gòu)體了，ADC的初始化結(jié)構(gòu)體代碼如下：

typedef struct
 {
 uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式選擇
 FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC 掃描（多通道）或者單次（單通道）模式選擇 
 FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 單次轉(zhuǎn)換或者連續(xù)轉(zhuǎn)換選擇
 uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號選擇
 uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 數(shù)據(jù)寄存器對齊格式
 uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道數(shù)
 } ADC_InitTypeDef;

通過配置初始化結(jié)構(gòu)體來設(shè)置ADC的相關(guān)信息。

單通道電壓采集

用這個程序來簡單熟練一下ADC的單通道電壓采集吧，程序使用了ADC1的通道11，對應(yīng)的IO口是PC^1，因為博主的開發(fā)板上PC ^1引腳沒有任何復用，使用中斷，在中斷中讀取轉(zhuǎn)換的電壓。

頭文件

為了提高文件的可移植性，頭文件中定義了一些與ADC和中斷相關(guān)的量，在移植程序的時候只需要修改頭文件中的定義即可。

#ifndef __ADC_H
#define__ADC_H
#include"stm32f10x.h"
/* 采用ADC1的通道11  引腳為PC^1 模式必須是模擬輸入*/
#define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC
#define ADC_GPIO_PORT    GPIOC
#define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
#defineADC_GPIO_MODEGPIO_Mode_AIN
/* 配置與中斷有關(guān)的信息 */
#define ADC_IRQn         ADC1_2_IRQn
#defineADC_RCCRCC_APB2Periph_ADC1
/* 配置ADC初始化結(jié)構(gòu)體的宏定義 */
#define ADCx                          ADC1
#define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE                      //連續(xù)轉(zhuǎn)換模式
#define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right         //轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊
#define ADCx_ExternalTrigConv         ADC_ExternalTrigConv_None      //不使用外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換，采用軟件觸發(fā)
#define ADCx_Mode                     ADC_Mode_Independent        //只使用一個ADC，獨立模式
#define ADCx_NbrOfChannel             1                          //一個轉(zhuǎn)換通道
#defineADCx_ScanConvModeDISABLE//禁止掃描模式，多通道時使用
/* 通道信息和采樣周期 */
#define ADC_Channel                   ADC_Channel_11
#defineADC_SampleTimeADC_SampleTime_55Cycles5
/* 函數(shù)聲明 */
void ADC_COnfig(void);
void ADC_NVIC_Config(void);
void ADC_GPIO_Config(void);
voidADCx_Init(void);
#endif  /* __ADC_H */

引腳配置函數(shù)

首先配置相應(yīng)的GPIO引腳，畢竟模擬信號是通過GPIO引腳傳輸?shù)介_發(fā)板的，注意的是，引腳的模式一定要是模擬輸入！

void ADC_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_GPIO_RCC,ENABLE);
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=ADC_GPIO_MODE;
GPIO_Init(ADC_GPIO_PORT , &GPIO_InitStruct);
}

配置引腳就是老套路：聲明結(jié)構(gòu)體變量、開啟時鐘、寫入結(jié)構(gòu)體、初始化GPIO。

NVIC配置函數(shù)

因為我們是在轉(zhuǎn)換完成后利用中斷，在中斷函數(shù)中讀取數(shù)據(jù)，所以要首先配置中斷函數(shù)的優(yōu)先級，因為程序中只有這一個中斷，所以優(yōu)先級的配置就比較隨意。

void ADC_NVIC_Config(void)
{
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStruct;
/* 配置中斷優(yōu)先級分組(設(shè)置搶占優(yōu)先級和子優(yōu)先級的分配)，在函數(shù)在misc.c */
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
/* 配置初始化結(jié)構(gòu)體 在misc.h中 */
/* 配置中斷源 在stm32f10x.h中 */
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;
/* 配置搶占優(yōu)先級 */
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;
/* 配置子優(yōu)先級 */
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;
/* 使能中斷通道 */
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;
/* 調(diào)用初始化函數(shù) */
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;
}

ADC配置函數(shù)

ADC的配置函數(shù)是ADC的精髓，在這個函數(shù)中包含的內(nèi)容有：ADC的初始化結(jié)構(gòu)體配置、配置了時鐘分頻、配置了通道轉(zhuǎn)換順序、打開轉(zhuǎn)換中斷、進行校準、軟件觸發(fā)ADC采集等。

函數(shù)中都有詳細的注釋：

void ADC_COnfig(void)
{
  ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct;
RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,ENABLE);
  /* 配置初始化結(jié)構(gòu)體，詳情見頭文件 */
  ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode  ;
  ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ;
  ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ;
  ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ;
  ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ;
ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode=ADCx_ScanConvMode;
ADC_Init(ADCx,&ADC_InitStruct);
  /* 配置ADC時鐘為8分頻，即9M */
  RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
  /* 配置ADC通道轉(zhuǎn)換順序和時間 */
  ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime );
  /* 配置為轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生中斷 在中斷中讀取信息 */
  ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE);
  /* 開啟ADC，進行轉(zhuǎn)換 */
  ADC_Cmd(ADCx, ENABLE );
  /* 重置ADC校準 */
  ADC_ResetCalibration(ADCx);
  /* 等待初始化完成 */
  while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx))
    /* 開始校準 */
    ADC_StartCalibration(ADCx);
  /* 等待校準完成 */
  while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
  /* 軟件觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換 */
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx,ENABLE);
}

中斷函數(shù)

在中斷函數(shù)中進行讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存放在變量result中，此處使用關(guān)鍵字extern聲明，代表變量result已經(jīng)在其他文件中定義，關(guān)于extern的介紹在之前發(fā)的文章中有extern關(guān)鍵字的介紹。

externuint16_tresurt;
void ADC1_2_IRQHandler(void)
{
    /* 判斷產(chǎn)生中斷請求 */
  while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET)
    resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx);
  /* 清除中斷標志 */
  ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);
}

主函數(shù)

主函數(shù)負責接收轉(zhuǎn)換的值，并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，然后通過串口打印在計算機上，便于調(diào)試。

變量result是主函數(shù)中的全局變量，注意最后的結(jié)果應(yīng)該轉(zhuǎn)換為浮點型。

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include"adc.h"
uint16_tresult;
void delay(void)
{
  uint16_t k=0xffff;
  while(k--);
}
int main(void)
{
  float voltage;
  /* 串口調(diào)試函數(shù) */
DEBUG_USART_Config();
  /* 與ADC相關(guān)的函數(shù)打包在此函數(shù)中 */
  ADCx_Init();
  while(1)
  {
      /* 強制轉(zhuǎn)換為浮點型 */
    voltage = (float) result/4096*3.3;
    printf("
電壓值為：%f
",voltage);
    delay();
}
}

審核編輯：湯梓紅