详解STM32中的ADC:深入揭秘STM32微控制器的模拟数字转换器技术
0 2023-09-20

ADC简介

STM32F103系列有3个ADC,精度为12位,每个ADC最多有16个外部通道。其中ADC1和ADC2都有16个外部通道,ADC3一般有8个外部通道,各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断执行,ADC转换的结果可以左对齐或右对齐储存在16位数据寄存器中。ADC的输入时钟不得超过14MHz,其时钟频率由PCLK2分频产生。

ADC功能框图讲解

学习STM32开发板上的外设时首先要了解其外设的功能框图,如下:

功能框图可以大体分为7部分,下面一一讲解:

电压输入范围

ADC所能测量的电压范围就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+,把 VSSA 和 VREF-接地,把 VREF+和 VDDA 接 3V3,得到ADC 的输入电压范围为:0~3.3V。

输入通道

ADC的信号输入就是通过通道来实现的,信号通过通道输入到单片机中,单片机经过转换后,将模拟信号输出为数字信号。STM32中的ADC有着18个通道,其中外部的16个通道已经在框图中标出,如下:

这16个通道对应着不同的IO口,此外ADC1/2/3 还有内部通道:ADC1 的通道 16 连接到了芯片内部的温度传感器, Vrefint 连接到了通道 17。ADC2 的模拟通道 16 和 17 连接到了内部的 VSS。

ADC的全部通道如下图所示:

外部的16个通道在转换时又分为规则通道和注入通道,其中规则通道最多有16路,注入通道最多有4路(注入通道貌似使用不多),下面简单介绍一下两种通道:

规则通道顾名思义就是,最平常的通道、也是最常用的通道,平时的ADC转换都是用规则通道实现的。

注入通道是相对于规则通道的,注入通道可以在规则通道转换时,强行插入转换,相当于一个“中断通道”吧。当有注入通道需要转换时,规则通道的转换会停止,优先执行注入通道的转换,当注入通道的转换执行完毕后,再回到之前规则通道进行转换。

转换顺序

知道了ADC的转换通道后,如果ADC只使用一个通道来转换,那就很简单,但如果是使用多个通道进行转换就涉及到一个先后顺序了,毕竟规则转换通道只有一个数据寄存器。多个通道的使用顺序分为俩种情况:规则通道的转换顺序和注入通道的转换顺序。

规则通道中的转换顺序由三个寄存器控制:SQR1、SQR2、SQR3,它们都是32位寄存器。SQR寄存器控制着转换通道的数目和转换顺序,只要在对应的寄存器位SQx中写入相应的通道,这个通道就是第x个转换。具体的对应关系如下:

通过SQR1寄存器就能了解其转换顺序在寄存器上的实现了:

和规则通道转换顺序的控制一样,注入通道的转换也是通过注入寄存器来控制,只不过只有一个JSQR寄存器来控制,控制关系如下:

需要注意的是,只有当JL=4的时候,注入通道的转换顺序才会按照JSQ1、JSQ2、JSQ3、JSQ4的顺序执行。当JL<4时,注入通道的转换顺序恰恰相反,也就是执行顺序为:JSQ4、JSQ3、JSQ2、JSQ1。

配置转换顺序的函数如下代码所示:

/** * @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){ 函数内容略;}


触发源

ADC转换的输入、通道、转换顺序都已经说明了,但ADC转换是怎么触发的呢?就像通信协议一样,都要规定一个起始信号才能传输信息,ADC也需要一个触发信号来实行模/数转换。

其一就是通过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。

另外,还可以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。

在参考手册中可以找到,ADC_CR2寄存器的详情如下:

转换时间

还有一点,就是转换时间的问题,ADC的每一次信号转换都要时间,这个时间就是转换时间,转换时间由输入时钟和采样周期来决定。

由于ADC在STM32中是挂载在APB2总线上的,所以ADC时钟是由PCLK2(72MHz)经过分频得到的,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,一般配置分频因子为8,即8分频得到ADC的输入时钟频率为9MHz。

采样周期是确立在输入时钟上的,配置采样周期可以确定使用多少个ADC时钟周期来对电压进行采样,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。每个通道可以配置不同的采样周期,但最小的采样周期是1.5个周期,也就是说如果想最快时间采样就设置采样周期为1.5.

转换时间=采样时间+12.5个周期

12.5个周期是固定的,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,采样周期设置为 1.5 个周期,算出最短的转换时间为 1.17us。

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。

规则数据寄存器负责存放规则通道转换的数据,通过32位寄存器ADC_DR来存放:

当使用ADC独立模式(也就是只使用一个ADC,可以使用多个通道)时,数据存放在低16位中,当使用ADC多模式时高16位存放ADC2的数据。需要注意的是ADC转换的精度是12位,而寄存器中有16个位来存放数据,所以要规定数据存放是左对齐还是右对齐。

当使用多个通道转换数据时,会产生多个转换数据,然鹅数据寄存器只有一个,多个数据存放在一个寄存器中会覆盖数据导致ADC转换错误,所以我们经常在一个通道转换完成之后就立刻将数据取出来,方便下一个数据存放。一般开启DMA模式将转换的数据,传输在一个数组中,程序对数组读操作就可以得到转换的结果。

DMA的使用之前介绍过:DMA介绍

注入通道转换的数据寄存器有4个,由于注入通道最多有4个,所以注入通道转换的数据都有固定的存放位置,不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。ADC_JDRx 是 32 位的,低 16 位有效,高 16 位保留,数据同样分为左对齐和右对齐,具体是以哪一种方式存放,由ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

中断

从框图中可以知道数据转换完成之后可以产生中断,有三种情况:

  • 规则通道数据转换完成之后,可以产生一个中断,可以在中断函数中读取规则数据寄存器的值。这也是单通道时读取数据的一种方法。

  • 注入通道数据转换完成之后,可以产生一个中断,并且也可以在中断中读取注入数据寄存器的值,达到读取数据的作用。

  • 当输入的模拟量(电压)不再阈值范围内就会产生看门狗事件,就是用来监视输入的模拟量是否正常。

以上中断的配置都由ADC_SR寄存器决定:

当然,在转换完成之后也可以产生DMA请求,从而将转换好的数据从数据寄存器中读取到内存中。

电压转换

要知道,转换后的数据是一个12位的二进制数,我们需要把这个二进制数代表的模拟量(电压)用数字表示出来。比如测量的电压范围是0~3.3V,转换后的二进制数是x,因为12位ADC在转换时将电压的范围大小(也就是3.3)分为4096(2^12)份,所以转换后的二进制数x代表的真实电压的计算方法就是:

y=3.3* x / 4096

初始化结构体

每个外设的核心就是其对应的初始化结构体了,ADC的初始化结构体代码如下:

typedef struct { uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择 FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC 扫描(多通道)或者单次(单通道)模式选择  FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择 uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择 uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式 uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数 } ADC_InitTypeDef;

通过配置初始化结构体来设置ADC的相关信息。

单通道电压采集

用这个程序来简单熟练一下ADC的单通道电压采集吧,程序使用了ADC1的通道11,对应的IO口是PC^1,因为博主的开发板上PC ^1引脚没有任何复用,使用中断,在中断中读取转换的电压。

头文件

为了提高文件的可移植性,头文件中定义了一些与ADC和中断相关的量,在移植程序的时候只需要修改头文件中的定义即可。

#ifndef __ADC_H#define __ADC_H#include "stm32f10x.h"/* 采用ADC1的通道11  引脚为PC^1 模式必须是模拟输入*/#define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC#define ADC_GPIO_PORT    GPIOC#define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1#define ADC_GPIO_MODE    GPIO_Mode_AIN /* 配置与中断有关的信息 */#define ADC_IRQn         ADC1_2_IRQn#define ADC_RCC          RCC_APB2Periph_ADC1/* 配置ADC初始化结构体的宏定义 */#define ADCx                          ADC1#define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE //连续转换模式#define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right //转换结果右对齐#define ADCx_ExternalTrigConv         ADC_ExternalTrigConv_None //不使用外部触发转换,采用软件触发#define ADCx_Mode                     ADC_Mode_Independent //只使用一个ADC,独立模式#define ADCx_NbrOfChannel             1 //一个转换通道#define ADCx_ScanConvMode             DISABLE //禁止扫描模式,多通道时使用/* 通道信息和采样周期 */#define ADC_Channel                   ADC_Channel_11#define ADC_SampleTime                ADC_SampleTime_55Cycles5/* 函数声明 */void ADC_COnfig(void);void ADC_NVIC_Config(void);void ADC_GPIO_Config(void);void ADCx_Init(void);#endif /* __ADC_H */

引脚配置函数

首先配置相应的GPIO引脚,毕竟模拟信号是通过GPIO引脚传输到开发板的,注意的是,引脚的模式一定要是模拟输入!

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);}

配置引脚就是老套路:声明结构体变量、开启时钟、写入结构体、初始化GPIO。

NVIC配置函数

因为我们是在转换完成后利用中断,在中断函数中读取数据,所以要首先配置中断函数的优先级,因为程序中只有这一个中断,所以优先级的配置就比较随意。

void ADC_NVIC_Config(void){NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct ;/* 配置中断优先级分组(设置抢占优先级和子优先级的分配),在函数在misc.c */NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1) ;/* 配置初始化结构体 在misc.h中 *//* 配置中断源 在stm32f10x.h中 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;/* 配置抢占优先级 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;/* 配置子优先级 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;/* 使能中断通道 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;/* 调用初始化函数 */NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;}

ADC配置函数

ADC的配置函数是ADC的精髓,在这个函数中包含的内容有:ADC的初始化结构体配置、配置了时钟分频、配置了通道转换顺序、打开转换中断、进行校准、软件触发ADC采集等。

函数中都有详细的注释:

void ADC_COnfig(void){ ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,  ENABLE); /* 配置初始化结构体,详情见头文件 */ 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时钟为8分频,即9M */ RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8); /* 配置ADC通道转换顺序和时间 */ ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime ); /* 配置为转换结束后产生中断 在中断中读取信息 */ ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE); /* 开启ADC,进行转换 */ ADC_Cmd(ADCx, ENABLE ); /* 重置ADC校准 */ ADC_ResetCalibration(ADCx); /* 等待初始化完成 */ while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx)) /* 开始校准 */ ADC_StartCalibration(ADCx); /* 等待校准完成 */ while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx)); /* 软件触发ADC转换 */ ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);}

中断函数

在中断函数中进行读取数据,将数据存放在变量result中,此处使用关键字extern声明,代表变量result已经在其他文件中定义,关于extern的介绍在之前发的文章中有extern关键字的介绍。

extern uint16_t resurt;void ADC1_2_IRQHandler(void){ /* 判断产生中断请求 */ while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET) resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx); /* 清除中断标志 */ ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);}

主函数

主函数负责接收转换的值,并将其转换为电压值,然后通过串口打印在计算机上,便于调试。

变量result是主函数中的全局变量,注意最后的结果应该转换为浮点型。

#include "stm32f10x.h"#include "usart.h"#include "adc.h"uint16_t result;void delay(void){ uint16_t k=0xffff; while(k--);}int main(void){ float voltage; /* 串口调试函数 */ DEBUG_USART_Config(); /* 与ADC相关的函数打包在此函数中 */ ADCx_Init(); while(1) { /* 强制转换为浮点型 */ voltage = (float) result/4096*3.3; printf("\n电压值为:%f\n",voltage); delay(); }}


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