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。

$ }2 t$ \; {; |1 u9 [2 Z) @0 H

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：

# \5 z3 t/ {8 N$ F, I" c

! f8 G; K, s# h5 T9 `0 ~

    功能框图可以大体分为7部分，下面一一讲解：

# F% v9 F4 D& o" n( ~/ n6 g* C

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：

: w, x3 F& V% h, u8 l

    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：

; _% f) a& `# ?: E

    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：

1. 
   
2. /**
   
3.   * @brief  Configures for the selected ADC regular channel its corresponding
   
4.   *         rank in the sequencer and its sample time.
   
5.   * @param  ADCx: where x can be 1, 2 or 3 to select the ADC peripheral.
   
6.   * @param  ADC_Channel: the ADC channel to configure.
   % |0 j+ Y0 F. H, k
7.   *   This parameter can be one of the following values:
     R2 o& N- F4 |; _! n" y0 h: O
8.   *     @arg ADC_Channel_0: ADC Channel0 selected
   
9.   *     @arg ADC_Channel_1: ADC Channel1 selected
   
10.   *     @arg ADC_Channel_2: ADC Channel2 selected
    2 r) p0 S7 T( C
11.   *     @arg ADC_Channel_3: ADC Channel3 selected
    0 Q3 M/ P; s9 _3 I
12.   *     @arg ADC_Channel_4: ADC Channel4 selected
    " P: E  q  I( t* d7 ]
13.   *     @arg ADC_Channel_5: ADC Channel5 selected
    
14.   *     @arg ADC_Channel_6: ADC Channel6 selected
    
15.   *     @arg ADC_Channel_7: ADC Channel7 selected
    9 f! Y1 s% d( n
16.   *     @arg ADC_Channel_8: ADC Channel8 selected
      U. \8 ]( l; S2 O* z' m5 d
17.   *     @arg ADC_Channel_9: ADC Channel9 selected
    
18.   *     @arg ADC_Channel_10: ADC Channel10 selected
    4 Q; J. h6 ]/ P4 d  n
19.   *     @arg ADC_Channel_11: ADC Channel11 selected
    3 L. i+ F8 q2 Q. y
20.   *     @arg ADC_Channel_12: ADC Channel12 selected
    & O  l( s0 o4 P* H3 Z0 N1 n
21.   *     @arg ADC_Channel_13: ADC Channel13 selected
    6 H5 S' ~! S/ f3 w" [* ]# x& m+ t  T
22.   *     @arg ADC_Channel_14: ADC Channel14 selected
    
23.   *     @arg ADC_Channel_15: ADC Channel15 selected
    
24.   *     @arg ADC_Channel_16: ADC Channel16 selected
    . b8 ~% z  H( @
25.   *     @arg ADC_Channel_17: ADC Channel17 selected
    $ C+ s0 Q; M2 E1 C# K
26.   * @param  Rank: The rank in the regular group sequencer. This parameter must be between 1 to 16.
    & U/ G1 C+ {1 ?. u
27.   * @param  ADC_SampleTime: The sample time value to be set for the selected channel.
    : \0 Q) ~2 @& Y, S: H# U# u
28.   *   This parameter can be one of the following values:
    2 S, [0 k+ J, \# E. [# }
29.   *     @arg ADC_SampleTime_1Cycles5: Sample time equal to 1.5 cycles
    
30.   *     @arg ADC_SampleTime_7Cycles5: Sample time equal to 7.5 cycles
    ; b* `% }. Y8 g, B9 M3 {, K
31.   *     @arg ADC_SampleTime_13Cycles5: Sample time equal to 13.5 cycles
    
32.   *     @arg ADC_SampleTime_28Cycles5: Sample time equal to 28.5 cycles
    / }, h) B& J1 V+ S" T$ \8 y1 _$ p
33.   *     @arg ADC_SampleTime_41Cycles5: Sample time equal to 41.5 cycles
    
34.   *     @arg ADC_SampleTime_55Cycles5: Sample time equal to 55.5 cycles
    
35.   *     @arg ADC_SampleTime_71Cycles5: Sample time equal to 71.5 cycles
    
36.   *     @arg ADC_SampleTime_239Cycles5: Sample time equal to 239.5 cycles
    9 T, `1 ~4 S) V2 }
37.   * @retval None
    0 H1 M5 |' @. l- @/ o1 d. N
38.   */
    3 ?1 K' [5 |: ^4 a5 S9 K8 M. L2 _
39. void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)
    
40. {
    / s8 O3 h. _! P* E  _, i) y
41.   函数内容略;
    
42. }

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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的时钟是由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。

   

    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。

. h3 N2 d/ A3 N# M: L$ k( F

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。
  
  ! p* E4 M0 U7 R2 q4 }# _

    以上中断的配置都由ADC_SR寄存器决定：

2 w7 `  Q. G$ j" x- ^

& W! C0 Q4 r  `- v( b

    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。

5 E: d+ z) N! l9 G6 d

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
  5 K8 }" j- S/ `  f0 h, j* E

4 q  ?7 I: l# T8 i) f

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：

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
   9 f1 N( D9 k8 c, q5 e
5. FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
   2 V) b4 m+ G- E9 T" o+ a
6. uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
   ' T) O+ E# A0 A) |! A, k! I  |2 _# g
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
   # h. k" j* u  [8 Z
9. } ADC_InitTypeDef;

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    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。

1. #ifndef __ADC_H
   ( T% P8 X' ~1 z* Q
2. #define __ADC_H
   2 Z" V" y9 Q$ T& K4 u
3. #include "stm32f10x.h"
   4 d) q( J. }/ s. @- O) N: r$ u
4. /* 采用ADC1的通道11  引脚为PC^1 模式必须是模拟输入*/
   % U4 n$ a- u* O6 w
5. #define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC
   9 P7 G; r5 e, }5 ?6 ?
6. #define ADC_GPIO_PORT    GPIOC
   : x7 B7 w) L. k, S
7. #define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
     _5 I, j" M" y! B1 d1 O
8. #define ADC_GPIO_MODE    GPIO_Mode_AIN  
   ) n# ?) r: Z  s5 e
9. /* 配置与中断有关的信息 */
     d* r1 O5 q: b
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
    7 W! @. x$ f' ^
14. #define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE                      //连续转换模式
    $ }! F  o, w# @+ V5 r- ^
15. #define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right         //转换结果右对齐
    * Q7 ~- @' j9 U! _2 {: P3 _
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
    & a- g/ P  v1 p) q# p2 q
18. #define ADCx_NbrOfChannel             1                          //一个转换通道
    + _2 \) u  L1 s
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
    2 I+ M& O# u( T* I9 x% @& v* M
23. /* 函数声明 */
    
24. void ADC_COnfig(void);
    
25. void ADC_NVIC_Config(void);
    
26. void ADC_GPIO_Config(void);
    7 v+ z1 X* x% v! o, I
27. void ADCx_Init(void);
    
28. #endif  /* __ADC_H */

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1 J2 x! d% l: M  k: g8 x

引脚配置函数
- V! j$ ]/ P( `$ J$ D, a+ h# q0 _

    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 B+ A; S7 H1 G
3. GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
   & F# n$ w, }, |& G0 J5 j* S, L
4. RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_GPIO_RCC,  ENABLE);
   
5. GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;
   1 b8 _, k, b/ E0 A& E2 Y" o
6. GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = ADC_GPIO_MODE ;
   
7. GPIO_Init(ADC_GPIO_PORT , &GPIO_InitStruct);
   7 o: Z, M9 k" z' }7 U8 c8 m# b4 c
8. }

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    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。

$ N2 d" A, j; k& q6 r

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)
   6 ^& y! ^: u$ k
2. {
   
3. NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct ;
   
4. /* 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 */
   
5. NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1) ;
   , W+ Q( V1 m& I8 a: @# b
6. /* 配置初始化结构体 在misc.h中 */
   + N' b5 L8 C7 j* N$ _+ ]
7. /* 配置中断源 在stm32f10x.h中 */
   
8. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;
   0 c8 D. `- Q9 K6 s
9. /* 配置抢占优先级 */
   
10. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;
    3 t1 c% ]- ]* m* L9 G  c$ o
11. /* 配置子优先级 */
    
12. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;
    
13. /* 使能中断通道 */
    
14. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;
    8 u0 x: n0 t3 }0 C( w
15. /* 调用初始化函数 */
    
16. NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;
    
17. }

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6 M$ B. x0 c3 k4 _2 P

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)
   . G1 }2 x% @6 ?
2. {
   $ F$ f5 z" F, w3 C; n$ O, C
3.   ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct;
   
4.   RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,  ENABLE);
   8 \9 @: _2 F: G4 F' }+ I3 I! ]3 W
5.   /* 配置初始化结构体，详情见头文件 */
   
6.   ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode  ;
   1 h% W5 g# E4 L
7.   ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ;
   " O  Z; d" g) K) E7 k, P6 `
8.   ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ;
   " J' u( x5 B4 x3 R- `2 o. p% L- Q
9.   ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ;
   ! M4 D4 k+ |# N( \$ Z+ J
10.   ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ;
    
11.   ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ADCx_ScanConvMode ;
    ' K) {/ \/ J1 j) B1 z
12.   ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStruct);
    2 O$ d  g: A1 Z' q( X) M* e
13.   /* 配置ADC时钟为8分频，即9M */
    
14.   RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
    
15.   /* 配置ADC通道转换顺序和时间 */
    5 D( C3 }* b  Q9 k) G
16.   ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime );
    
17.   /* 配置为转换结束后产生中断 在中断中读取信息 */
    
18.   ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE);
    . j# a* x  O8 z5 I0 e
19.   /* 开启ADC，进行转换 */
    
20.   ADC_Cmd(ADCx, ENABLE );
    ( ]9 h% Y' S4 {, v" m
21.   /* 重置ADC校准 */
    
22.   ADC_ResetCalibration(ADCx);
    
23.   /* 等待初始化完成 */
    . h- ^, w+ z9 t( }7 [
24.   while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx))
    * L7 x/ O- g1 j/ `
25.     /* 开始校准 */
    5 D  Y/ D4 {5 _* ^% Z
26.     ADC_StartCalibration(ADCx);
    
27.   /* 等待校准完成 */
    4 o0 R/ o: |6 [4 H% R
28.   while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
    
29.   /* 软件触发ADC转换 */
    
30.   ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
    3 A3 E* v8 Q" b4 O( A  t
31. }

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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。

1. extern uint16_t resurt;
   
2. void ADC1_2_IRQHandler(void)
   * _$ S( G3 p" `2 I+ \( R$ e- \0 x1 G
3. {
   5 c1 ]& B; b8 j* ~' I, g
4.     /* 判断产生中断请求 */
   
5.   while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET)
   1 \" K5 y* f8 a+ O
6.     resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx);
   
7.   /* 清除中断标志 */
   
8.   ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);
   ) ~: s  P6 J4 |* i! G/ f9 c
9. }

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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。

1. #include "stm32f10x.h"
   ! X# R3 ?2 k; a) _  H- w) U* d' e# H
2. #include "usart.h"
   
3. #include "adc.h"
   * y" D& B" U3 W# M$ X
4. uint16_t result;
   
5. void delay(void)
   ) ^6 a  z7 Y% t2 A
6. {
   7 O! B& U$ a7 o2 J7 L7 `
7.   uint16_t k=0xffff;
   
8.   while(k--);
   
9. }
   
10. int main(void)
    ( D  y. F! Q* h% Z/ |
11. {
    
12.   float voltage;
    
13.   /* 串口调试函数 */
    4 k" p. O, I2 q
14.   DEBUG_USART_Config();
    
15.   /* 与ADC相关的函数打包在此函数中 */
    
16.   ADCx_Init();
    
17.   while(1)
    0 V' S" g+ W: c5 s1 n( g
18.   {
    
19.       /* 强制转换为浮点型 */
    
20.     voltage = (float) result/4096*3.3;
    
21.     printf("\n电压值为：%f\n",voltage);
    ! i7 v$ O2 \) M0 g
22.     delay();
    
23.   }
    
24. }

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