开发笔记:STM32学习笔记（13）——模数转换ADC

这个月一直忙于准备考试&＃xff0c;已经考完一半科目了&＃xff0c;偷闲写了这篇文章。因为还没考完试&＃xff0c;估计还得咕一段时间了。

模拟量转换为数字量的过程称为A/D模数转换&＃xff0c;完成这一转换过程的器件称为ADC&＃xff08;Analog-to-Digital Converter&＃xff09;。

在STM32中&＃xff0c;有三个ADC&＃xff1a;ADC1、ADC2、ADC3&＃xff0c;其分辨率为12位&＃xff0c;每个ADC通道具有18个通道&＃xff0c;其中外部通道有16个。

我们分为七个部分讲解&＃xff1a;

一、输入电压

输入电压一般由参考电压VREF-、VREF&＃43;和VDDA&＃xff08;模拟电压源&＃xff09;和VSSA&＃xff08;模拟地&＃xff09;提供&＃xff0c;具体的输入电压范围为VREF- ≤ VIN ≤ VREF&＃43;。

在一般的电路设计中&＃xff0c;我们会将VSSA和VREF-接地&＃xff08;GND&＃xff09;&＃xff0c;将VDDA和VREF&＃43;接高电平&＃xff08;即3.3V&＃xff09;&＃xff0c;如下图电路原理图所示。因此&＃xff0c;ADC的输入电压范围为0 ~ 3.3V。

我们可以根据数字量来算出模拟量&＃xff1a;首先 ADC 分辨率为12位&＃xff0c;电压范围为 0~3.3V&＃xff0c;则最小精度为






3.3


−


0




2


12





\\frac{3.3-0}{2^{12}}


2123.3−0​&＃xff0c;假设数字量为X&＃xff0c;则最终模拟量 &＃61;






3.3


−


0




2


12




⋅


X



\\frac{3.3-0}{2^{12}}\\cdot X


2123.3−0​⋅X。

当然&＃xff0c;ADC可以测量范围为 0 ~ 3.3V 的电压&＃xff0c;但如果超出这个范围的电压该如何测量呢&＃xff1f;举一个简单的例子&＃xff1a;如果我们想扩大测量范围至 -10 ~ &＃43;10V&＃xff0c;可以将电路设计成如下&＃xff1a;

根据KCL&＃xff08;基尔霍夫定律&＃xff1a;节点流入电流之和等于流出电流之和&＃xff09;方程可得出&＃xff1a;

V


I


N


−


V


O


U


T




R


2




&＃43;




3.3


V


−


V


O


U


T




R


1




&＃61;




V


O


U


T




R


3





\\frac{VIN-VOUT}{R2}&＃43;\\frac{3.3V-VOUT}{R1}&＃61;\\frac{VOUT}{R3}


R2VIN−VOUT​&＃43;R13.3V−VOUT​&＃61;R3VOUT​

已知 R1、R2 和 R3&＃xff0c;就能根据这个方程得出 VIN 和 VOUT 的关系式。

二、输入通道

STM32 为三个 ADC 分配了 18 个通道&＃xff0c;如下表所示&＃xff1a;

这是 STM32F103ZET6 的通道引脚分配&＃xff0c;不同型号的芯片有不同的分配。在这里&＃xff0c;对于 ADC1 和 ADC2&＃xff0c;通道16和17均为内部通道&＃xff1b;对于 ADC3&＃xff0c;通道9和通道14~17均为内部通道。注意有部分 IO 引脚被重复占用。

三、规则通道

STM32 的 ADC 输入通道分为两类&＃xff1a;规则通道和注入通道。ADC 可以对一组指定的通道&＃xff0c;按照既定的顺序&＃xff0c;逐个转换这组通道&＃xff0c;转换结束后&＃xff0c;再从头循环。这些指定的通道组被称为规则通道组&＃xff08;规则组&＃xff09;&＃xff0c;组内的通道被称为规则转换通道&＃xff08;规则通道&＃xff09;。但在实际情况中&＃xff0c;有可能需要临时中断规则组的转换&＃xff0c;对某些通道进行转换&＃xff0c;这些需要中断的规则组就称为注入通道组&＃xff08;注入组&＃xff09;&＃xff0c;组内的通道被称为注入转换通道&＃xff08;注入通道&＃xff09;。

规则组最多可以设置 16 个通道。

我们可通过规则序列寄存器SQRx(x&＃61;1, 2, 3)来设置规则通道的优先顺序。规则序列寄存器一共有三个&＃xff0c;除了寄存器SQR1的第23位至20位&＃xff08;SQL[3:0]&＃xff09;用做配置转换通道的个数外&＃xff0c;其他都是每 5 位一组配置第 n 个转换的通道。如下表所示&＃xff1a;

例如&＃xff0c;配置寄存器SQR1的SQL[3:0]为3&＃xff0c;表明有 3 个规则通道&＃xff0c;则可在寄存器SQR3的SQ1[4:0]、SQ2[4:0]和SQ3[4:0]中分别配置为11、5、7&＃xff0c;表明通道5、7和11都是规则通道&＃xff0c;而且转换顺序是先通道11、再通道5、最后通道7。

四、注入通道

注入通道和规则通道有所不同的是&＃xff0c;注入通道与中断程序类似&＃xff0c;在规则通道进行转换时“强行”插入进行转换。因此&＃xff0c;注入也有插入的意思&＃xff0c;插入和规则是相对的&＃xff0c;注入通道只有在规则通道存在的时候才会出现。

我们可通过注入序列寄存器JQSR来设置注入通道的优先顺序。注入序列寄存器只有一个&＃xff0c;第21和20位两位&＃xff08;JL[1:0]&＃xff09;用来设置转换通道的个数&＃xff0c;其余都是每 5 位一组配置第 n 个转换通道。如下表所示&＃xff1a;

因为与规则通道序列寄存器类似&＃xff0c;因此就不举例了。但要注意一点&＃xff1a;寄存器JSQR和寄存器SQR的转换顺序是不一样的。JSQR的第 4 个转换通道其实是第一次进行转换的&＃xff0c;第 3 个转换通道是第二次进行转换的&＃xff0c;正好是反过来的&＃xff0c;以此类推。

关于规则组和注入组的例子&＃xff1a;系统需要采集温度&＃xff0c;但又要适时监控湿度&＃xff0c;那么湿度采集的转换通道可以放在注入组中&＃xff0c;通过某种触发源启动转换。一旦启动注入通道转换&＃xff0c;规则通道转换被暂停&＃xff0c;然后等待注入通道转换完成后&＃xff0c;规则组在进行转换。

五、触发源

1. 软件触发

是否启动 ADC 由寄存器ADC_CR2的ADON位控制&＃xff0c;写入1则表示打开或启动模拟至数字转换器的电压。

启动转换器后&＃xff0c;由寄存器ADC_CR2的SWSTART位和JSWSTART位分别控制规则通道的转换和注入通道的转换&＃xff0c;写入1则表示转换使能允许。

2. 外部事件触发

寄存器ADC_CR2的EXTSEL位和EXTTRIG位控制规则通道的触发源&＃xff0c;触发源来自TIM1_CHx(x&＃61;1, 2, 3)、TIM2_CH2、TIM4_CH4和TIM3_TRGO。EXTSEL位用于选择使用哪个触发源&＃xff0c;EXTTRIG位用于使能触发允许或禁止。

类似地&＃xff0c;寄存器ADC_CR2的JEXTSEL位和JEXTTRIG位控制注入通道的触发源&＃xff0c;触发源来自TIM1_CH4、TIM2_CH1、TIM3_CH4、TIM1_TRGO、TIM2_TRGO和TIM4_TRGO。JEXTSEL位用于选择使用哪个触发源&＃xff0c;JEXTTRIG位用于使能触发允许或禁止。

注意&＃xff0c;以上描述的是 ADC1 和 ADC2 的触发源&＃xff0c;ADC3 与前两者有区别&＃xff0c;具体可参考手册内容。

GPIO 外部中断的 EXTI11 和 EXTI15 也可作为触发源。

六、转换时间

转换时间公式为&＃xff1a;T(conv) &＃61; 采样时间 &＃43; 12.5个周期。

转换速度由 ADC 模拟时钟&＃xff08;ADC_CLK&＃xff09;决定&＃xff0c;其最大频率为 14MHz。 ADC_CLK 由 PCLK2 提供。之前在讲解时钟树的时候已经提及过&＃xff0c;PCLK2 在经过 APB2 预分频器后最大频率可达到 72MHz。因为 ADC_CLK 规定最大频率为 14MHz&＃xff0c;因此&＃xff0c; 时钟信号经过 的 ADC 预分频器的分频因子最小为 6&＃xff0c;所以实际的最大频率为72MHz / 6 &＃61; 12MHz。

那么在哪里可以配置 ADC 预分频因子呢&＃xff1f;注意&＃xff0c;并不在 ADC 相关的寄存器中配置&＃xff0c;而是在与 RCC 相关的寄存器进行配置。在寄存器RCC_CFGR的ADCPRE[1:0]可以配置 ADC 预分频因子。

ADC 需要若干个 ADC_CLK 周期才能完成对输入模拟量的采样&＃xff0c;因此采样时间可由 n
个 ADC_CLK 周期来表示&＃xff0c;即采样的周期数。我们可以通过两个采样时间寄存器ADC_SMPRx(x&＃61;1, 2) 来配置&＃xff08;如下表所示&＃xff09;&＃xff0c;位SMPx[2:0] (x&＃61;0-17)用来配置采样的周期。其中寄存器ADC_SMPR2控制的是通道 0~9&＃xff0c;寄存器ADC_SMPR1控制的是通道 10~17。这意味着每个通道都可以采用不同的采样周期。

如上表所示&＃xff0c;最快的采样周期为 1.5 个 ADC_CLK 周期&＃xff0c;最慢的采样周期为 239.5 个 ADC_CLK 周期。而一个周期的时间一般为1 / 12MHz&＃xff0c;所以最短的转换时间为&＃xff1a;T(conv) &＃61; 采样时间 &＃43; 12.5个周期 &＃61; 1.5 &＃43; 12.5 &＃61; 14 个周期 &＃61; 14 *(1 / 12us) &＃61; 1.17us。

六、数据寄存器

ADC将转换好的数据存放到数据寄存器中&＃xff0c;规则组的数据存放到寄存器ADC_DR中&＃xff0c;注入组的数据则存放到寄存器ADC_JDRx(x&＃61;1, 2, 3, 4)中。

1. 数据规则寄存器(ADC_DR)

对于独立模式&＃xff0c;即只使用一个 ADC 的情况&＃xff08;即只使用 ADC1 或 ADC2 或 ADC3&＃xff09;下&＃xff0c;由于 ADC 分辨率为 12 位&＃xff0c;所以只使用寄存器的低16位中的12位&＃xff0c;高16位就不使用了。 这12位数据可以左对齐&＃xff0c;也可以右对齐&＃xff0c;这是由寄存器ADC_CR2的ALIGN来决定。

对于双ADC模式&＃xff08;ADC1和ADC2同时使用&＃xff0c;注意ADC3是不能用于双ADC模式的&＃xff09;&＃xff0c;ADC2 的数据存放在寄存器的高16位&＃xff0c;而 ADC1 的数据存放在寄存器的低16位。

由于数据规则寄存器只有一个&＃xff0c;因此在使用多通道采集的时候寄存器的数据必然会被覆盖&＃xff0c;一般的解决办法是采用DMA模式&＃xff08;ADC1和ADC3可用&＃xff0c;2不可用&＃xff09;&＃xff0c;将转换结果转移进 DMA 中。

2. 数据注入寄存器(ADC_JDRx&＃xff0c;x&＃61;1, 2, 3, 4)

和数据规则寄存器一样&＃xff0c;由于 ADC 分辨率为 12 位&＃xff0c;所以只使用寄存器的低16位中的12位&＃xff0c;高16位就不使用了。 这12位数据可以左对齐&＃xff0c;也可以右对齐&＃xff0c;这是由寄存器ADC_CR2的ALIGN来决定。

由于数据注入寄存器有 4 个&＃xff0c;因此就不存在多通道采集时所产生的数据覆盖问题了。

七、中断

ADC能产生三种中断&＃xff0c;这三种中断对应的标志事件是&＃xff1a;转换结束&＃xff08;EOC&＃xff09;、注入转换结束&＃xff08;JEOC&＃xff09;、模拟看门狗事件&＃xff08;AWID&＃xff09;&＃xff0c;所对应的中断使能位是EOCIE、JEOCIE、AWIDIE。

这里说明一下模拟看门狗的作用&＃xff1a;在某些情况下我们希望模拟电压达到一定阈值后就产生一次中断&＃xff0c;可以用模拟看门狗来监测模拟电压是否达到这个阈值&＃xff0c;如果是&＃xff0c;那么就会发出一次中断请求。在 ADC看门狗高阈值寄存器&＃xff08;ADC_HTR&＃xff09; 和 ADC看门狗低阈值寄存器&＃xff08;ADC_LRT&＃xff09; 可以设置这个阈值电压&＃xff0c;两者均为低12位有效。

一、ADC初始化结构体

typedef struct
{
uint32_t ADC_Mode; // ADC工作模式
FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC扫描&＃xff08;多通道&＃xff09;或单次&＃xff08;单通道&＃xff09;模式
FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC单次转换或连续转换
uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC触发源选择
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;


1. 工作模式

在寄存器ADC_CR1的DUALMOD[3:0]位可以配置ADC工作模式&＃xff0c;下面来简要介绍每种模式&＃xff08;除了独立模式外&＃xff0c;剩余的模式都属于双重模式&＃xff0c;只能搭配ADC1/2&＃xff09;&＃xff1a;

• 独立模式&＃xff08;ADC_Mode_Independent&＃xff09;&＃xff1a;ADC1/2/3 单独使用其中一个。
• 同步规则模式&＃xff08;ADC_Mode_RegSimult&＃xff09;&＃xff1a;ADC1 和 ADC2 同时转换一个规则通道组&＃xff0c;其中 ADC1 为主&＃xff0c;ADC2 为从&＃xff0c;ADC1 转换的结果放在ADC_DR低16位&＃xff0c;ADC2 转换的结果放在ADC_DR的高16位。
• 同步注入模式&＃xff08;ADC_Mode_InjecSimult&＃xff09;&＃xff1a;ADC1 和 ADC2 同时转换一个注入通道组&＃xff0c;其中 ADC1 为主&＃xff0c;ADC2 为从&＃xff0c;ADC1 转换的结果放在各自的ADC_JDR。
• 快速交叉模式&＃xff08;ADC_Mode_FastInterl&＃xff09;&＃xff1a;ADC1 和 ADC2 交替采集一个规则通道组&＃xff08;通常为一个规则通道&＃xff09;&＃xff0c;当 ADC2 触发后&＃xff0c;ADC1 需要等待 7 个 ADCCLK 之后才能触发。
• 慢速交叉模式&＃xff08;ADC_Mode_SlowInterl&＃xff09;&＃xff1a;ADC1 和 ADC2 交替采集一个规则通道组&＃xff08;只能为一个规则通道&＃xff09;&＃xff0c;当 ADC2 触发后&＃xff0c;ADC1 需要等待 14 个 ADCCLK 之后才能触发。
• 交替触发模式&＃xff08;ADC_Mode_AlterTrig&＃xff09;&＃xff1a;ADC1 和 ADC2 轮流采集注入通道组&＃xff0c;当 ADC1 采集完所有通道后&＃xff0c;ADC2 再采集自己的通道&＃xff0c;如此循环。
• 混合的同步规则&＃43;注入同步模式&＃xff08;ADC_Mode_RegInjecSimult&＃xff09;&＃xff1a;规则组同步转换被中断&＃xff0c;以启动注入组的同步转换。
• 混合的同步规则&＃43;交替触发模式&＃xff08;ADC_Mode_RegSimult_AlterTrig&＃xff09;&＃xff1a;规则组同步转换被中断&＃xff0c;以启动注入组的交替触发转换。
• 混合同步注入&＃43;快速交叉模式&＃xff08;ADC_Mode_InjecSimult_FastInterl&＃xff09;&＃xff1a;快速交叉转换被中断&＃xff0c;同步注入启动。
• 混合同步注入&＃43;慢速交叉模式&＃xff08;ADC_Mode_InjecSimult_SlowInterl&＃xff09;&＃xff1a;慢速交叉转换被中断&＃xff0c;同步注入启动。

其中&＃xff0c;同步规则模式和快速交叉模式比较常用。

2. 扫描模式

在寄存器ADC_CR1的SCAN位进行配置。

实际是一个使能位&＃xff1a;选择单通道扫描&＃xff08;ENABLE&＃xff09;还是多通道扫描&＃xff08;DISABLE&＃xff09;。

3. 连续转换模式

在寄存器ADC_CR2的CONV位进行配置。

实际是一个使能位&＃xff1a;对通道选择采集一次&＃xff08;DISABLE&＃xff09;还是不停地重复采集&＃xff08;ENABLE&＃xff09;。

4. 外部触发源选择

寄存器ADC_CR2的EXTSEL位和EXTTRIG位控制规则通道的触发源&＃xff0c;寄存器ADC_CR2的JEXTSEL位和JEXTTRIG位控制注入通道的触发源。

可参考功能框图讲解的第五节触发源。

5. 数据对齐格式

由寄存器ADC_CR2的ALIGN来配置数据的左对齐或右对齐。

6. 采集通道数

由寄存器ADC_SQR1的L[3:0]位或寄存器ADC_JSQR的JL[1:0]位进行配置。

二、ADC常用库函数

以下为ADC常用的库函数&＃xff1a;

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState); // 软件触发
void ADC_ExternalTrigInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState); // 外部引脚触发
void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);


ADC未完待续~