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[分享] STM32-ADC模块讲解

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蝴蝶豆

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2020-10-30
发表于 2020-9-21 13:00:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
一.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。

二.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:


1_meitu_5.jpg



功能框图可以大体分为7部分,下面一一讲解:


1.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。


2.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:


2.png



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的全部通道如示:


3_meitu_7.jpg



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),下面简单介绍一下俩种通道:


规则通道
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
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。


3.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:


4_meitu_8.jpg



通过SQR1寄存器就能了解其转换顺序在寄存器上的实现了:


5_meitu_9.jpg




注入通道转换顺序


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:


6_meitu_10.jpg



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示:



  1. /**
  2.   * @brief  Configures for the selected ADC regular channel its corresponding
  3.   *         rank in the sequencer and its sample time.
  4.   * @param  ADCx: where x can be 1, 2 or 3 to select the ADC peripheral.
  5.   * @param  ADC_Channel: the ADC channel to configure.
  6.   *   This parameter can be one of the following values:
  7.   *     @arg ADC_Channel_0: ADC Channel0 selected
  8.   *     @arg ADC_Channel_1: ADC Channel1 selected
  9.   *     @arg ADC_Channel_2: ADC Channel2 selected
  10.   *     @arg ADC_Channel_3: ADC Channel3 selected
  11.   *     @arg ADC_Channel_4: ADC Channel4 selected
  12.   *     @arg ADC_Channel_5: ADC Channel5 selected
  13.   *     @arg ADC_Channel_6: ADC Channel6 selected
  14.   *     @arg ADC_Channel_7: ADC Channel7 selected
  15.   *     @arg ADC_Channel_8: ADC Channel8 selected
  16.   *     @arg ADC_Channel_9: ADC Channel9 selected
  17.   *     @arg ADC_Channel_10: ADC Channel10 selected
  18.   *     @arg ADC_Channel_11: ADC Channel11 selected
  19.   *     @arg ADC_Channel_12: ADC Channel12 selected
  20.   *     @arg ADC_Channel_13: ADC Channel13 selected
  21.   *     @arg ADC_Channel_14: ADC Channel14 selected
  22.   *     @arg ADC_Channel_15: ADC Channel15 selected
  23.   *     @arg ADC_Channel_16: ADC Channel16 selected
  24.   *     @arg ADC_Channel_17: ADC Channel17 selected
  25.   * @param  Rank: The rank in the regular group sequencer. This parameter must be between 1 to 16.
  26.   * @param  ADC_SampleTime: The sample time value to be set for the selected channel.
  27.   *   This parameter can be one of the following values:
  28.   *     @arg ADC_SampleTime_1Cycles5: Sample time equal to 1.5 cycles
  29.   *     @arg ADC_SampleTime_7Cycles5: Sample time equal to 7.5 cycles
  30.   *     @arg ADC_SampleTime_13Cycles5: Sample time equal to 13.5 cycles
  31.   *     @arg ADC_SampleTime_28Cycles5: Sample time equal to 28.5 cycles       
  32.   *     @arg ADC_SampleTime_41Cycles5: Sample time equal to 41.5 cycles       
  33.   *     @arg ADC_SampleTime_55Cycles5: Sample time equal to 55.5 cycles       
  34.   *     @arg ADC_SampleTime_71Cycles5: Sample time equal to 71.5 cycles       
  35.   *     @arg ADC_SampleTime_239Cycles5: Sample time equal to 239.5 cycles       
  36.   * @retval None
  37.   */
  38. void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)
  39. {
  40.   函数内容略;
  41. }
复制代码

4.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。
ADC_CR2寄存器的详情如下:


7_meitu_11.jpg



8_meitu_12.jpg


9_meitu_13.jpg



5.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。


输入时钟
由于ADC在STM32中是挂载在APB2总线上的,所以ADC得时钟是由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
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
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。



6.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
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。


10_meitu_14.jpg

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的使用之前在一篇博客中介绍过:DMA介绍

注入数据寄存器
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。


11_meitu_15.jpg




7.中断
12_meitu_16.jpg


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:
规则通道转换完成中断
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。
注入通道转换完成中断
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。
模拟看门狗事件
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:


13_meitu_17.jpg


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。


8.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


三.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的初始化结构体如下:



  1. typedef struct
  2. {
  3. uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择
  4. FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC 扫描(多通道)或者单次(单通道)模式选择
  5. FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
  6. uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
  7. uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
  8. uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
  9. } ADC_InitTypeDef;
复制代码


通过配置初始化结构体来设置ADC的相关信息。



四.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。



1.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。



  1. #ifndef __ADC_H
  2. #define __ADC_H

  3. #include "stm32f10x.h"

  4. /* 采用ADC1的通道11  引脚为PC^1 模式必须是模拟输入*/
  5. #define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC
  6. #define ADC_GPIO_PORT    GPIOC
  7. #define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
  8. #define ADC_GPIO_MODE    GPIO_Mode_AIN  

  9. /* 配置与中断有关的信息 */
  10. #define ADC_IRQn         ADC1_2_IRQn
  11. #define ADC_RCC          RCC_APB2Periph_ADC1


  12. /* 配置ADC初始化结构体的宏定义 */
  13. #define ADCx                          ADC1
  14. #define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE                                  //连续转换模式
  15. #define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right                     //转换结果右对齐
  16. #define ADCx_ExternalTrigConv         ADC_ExternalTrigConv_None      //不使用外部触发转换,采用软件触发
  17. #define ADCx_Mode                     ADC_Mode_Independent                    //只使用一个ADC,独立模式
  18. #define ADCx_NbrOfChannel             1                                      //一个转换通道
  19. #define ADCx_ScanConvMode             DISABLE                                 //禁止扫描模式,多通道时使用

  20. /* 通道信息和采样周期 */
  21. #define ADC_Channel                   ADC_Channel_11
  22. #define ADC_SampleTime                ADC_SampleTime_55Cycles5


  23. /* 函数声明 */
  24. void ADC_COnfig(void);
  25. void ADC_NVIC_Config(void);
  26. void ADC_GPIO_Config(void);
  27. void ADCx_Init(void);

  28. #endif  /* __ADC_H */
复制代码



2.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!



  1. void ADC_GPIO_Config(void)
  2. {
  3.         GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
  4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_GPIO_RCC,  ENABLE);
  5.        
  6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;
  7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = ADC_GPIO_MODE ;
  8.        
  9.         GPIO_Init(ADC_GPIO_PORT , &GPIO_InitStruct);
  10. }
复制代码

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



3.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。



  1. void ADC_NVIC_Config(void)
  2. {

  3.         NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct ;
  4.        
  5.         /* 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 */
  6.         NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1) ;
  7.        
  8.         /* 配置初始化结构体 在misc.h中 */
  9.         /* 配置中断源 在stm32f10x.h中 */
  10.         NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;
  11.         /* 配置抢占优先级 */
  12.         NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;
  13.         /* 配置子优先级 */
  14.         NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;
  15.         /* 使能中断通道 */
  16.         NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;
  17.         /* 调用初始化函数 */
  18.         NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;
  19. }
复制代码

4.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:


  1. void ADC_COnfig(void)
  2. {
  3.         ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct;
  4.         RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,  ENABLE);
  5.        
  6.         /* 配置初始化结构体,详情见头文件 */
  7.         ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode  ;
  8.         ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ;
  9.         ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ;
  10.         ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ;
  11.         ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ;
  12.         ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ADCx_ScanConvMode ;
  13.        
  14.         ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStruct);
  15.        
  16.         /* 配置ADC时钟为8分频,即9M */
  17.         RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
  18.         /* 配置ADC通道转换顺序和时间 */
  19.         ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime );
  20.         /* 配置为转换结束后产生中断 在中断中读取信息 */
  21.         ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE);
  22.         /* 开启ADC,进行转换 */
  23.         ADC_Cmd(ADCx, ENABLE );
  24.         /* 重置ADC校准 */
  25.         ADC_ResetCalibration(ADCx);
  26.         /* 等待初始化完成 */
  27.         while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx))
  28.                 /* 开始校准 */
  29.                 ADC_StartCalibration(ADCx);
  30.         /* 等待校准完成 */
  31.         while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
  32.         /* 软件触发ADC转换 */
  33.         ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
  34.        
  35. }
复制代码


5.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.



  1. extern uint16_t resurt;

  2. void ADC1_2_IRQHandler(void)
  3. {
  4.     /* 判断产生中断请求 */
  5.         while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET)
  6.                 resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx);
  7.         /* 清除中断标志 */
  8.         ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);
  9. }
复制代码

6.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。




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蝴蝶豆

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2020-10-30
发表于 2020-9-21 16:39:22 | 显示全部楼层
非常详细,注入通道和规则通道可以设定成同一路吗?就是平时是规则转换,一唤酣就进入注入通道?
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蝴蝶豆

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2020-10-30
发表于 2020-9-21 16:43:23 | 显示全部楼层
同一通道为什么分布成ADC1\ADC2\ADC3三个位置?
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