详解STM32中的ADC
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vwin 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。
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 #defineADC_GPIO_MODEGPIO_Mode_AIN /* 配置与中断有关的信息 */ #define ADC_IRQn ADC1_2_IRQn #defineADC_RCCRCC_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 #defineADCx_ScanConvModeDISABLE//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 #defineADC_SampleTimeADC_SampleTime_55Cycles5 /* 函数声明 */ void ADC_COnfig(void); void ADC_NVIC_Config(void); void ADC_GPIO_Config(void); voidADCx_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_InitTypeDefNVIC_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。
externuint16_tresurt;
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_tresult;
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("
电压值为：%f
",voltage);
delay();
}
}
审核编辑：汤梓红
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