STM32模数转换器 (ADC)介绍

冬至子 2023-07-22 3973

模拟技术

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描述

STM32F4xx系列提供的12位ADC是逐次逼近型模数转换器。它具有多达 19 个复用通道，可测量来自 16 个外部源、两个内部源和 V BAT 通道的信号。这些通道的 A/D 转换可在单次、连续、扫描或不连续采样模式下进行。ADC 的结果存储在一个左对齐或右对齐的 16 位数据寄存器中。

ADC 具有模拟看门狗特性，允许应用检测输入电压是否超过了用户自定义的阈值上限或下限。

单个ADC框图

存储器

ADC 引脚

存储器

ADC开关控制

可通过将ADC_CR2寄存器中的 ADON 位置1来为 ADC 供电。首次将 ADON 位置1时，会将ADC从掉电模式中唤醒。

SWSTART 或 JSWSTART 位置 1 时，启动 AD 转换。

可通过将 ADON 位清零来停止转换并使 ADC 进入掉电模式。在此模式式下，ADC 几乎不耗电（只有几 μA）。

ADC时钟

ADC 具有两个时钟方案：

● 用于模拟电路的时钟：ADCCLK，所有 ADC 共用

此时钟来自于经可编程预分频器分频的 APB2 时钟，该预分频器允许 ADC 在 f PCLK2 /2、/4、/6 或 /8 下工作。有关 ADCCLK 的最大值，请参见数据手册。

● 用于数字接口的时钟（用于寄存器读/写访问）

此时钟等效于 APB2 时钟。可以通过 RCC APB2 外设时钟使能寄存器 (RCC_APB2ENR)分别为每个 ADC 使能/禁止数字接口时钟。

通道选择

有 16 条复用通道。可以将转换分为两组：规则转换和注入转换。每个组包含一个转换序列，该序列可按任意顺序在任意通道上完成。例如，可按以下顺序对序列进行转换：ADC_IN3、ADC_IN8、ADC_IN2、ADC_IN2、ADC_IN0、ADC_IN2、ADC_IN2、ADC_IN15。

● 一个规则转换组最多由 16 个转换构成。必须在 ADC_SQRx 寄存器中选择转换序列的规则通道及其顺序。规则转换组中的转换总数必须写入 ADC_SQR1 寄存器中的 L[3:0] 位。

● 一个注入转换组最多由 4 个转换构成。必须在 ADC_JSQR 寄存器中选择转换序列的注入通道及其顺序。注入转换组中的转换总数必须写入 ADC_JSQR 寄存器中的 L[1:0] 位。

如果在转换期间修改 ADC_SQRx 或 ADC_JSQR 寄存器，将复位当前转换并向 ADC 发送一个新的启动脉冲，以转换新选择的组。

温度传感器、V REFINT 和 V BAT 内部通道

● 对于 STM32F40x 和 STM32F41x 器件，温度传感器内部连接到通道 ADC1_IN16。

内部参考电压 VREFINT 连接到 ADC1_IN17。

● 对于 STM23F42x 和 STM32F43x 器件，温度传感器内部连接到与 VBAT 共用的通道

ADC1_IN18。一次只能选择一个转换（温度传感器或 VBAT）。同时设置了温度传感器和 VBAT 转换时，将只进行 VBAT 转换。

内部参考电压 VREFINT 连接到 ADC1_IN17。

VBAT通道连接到通道ADC1_IN18。该通道也可转换为注入通道或规则通道。

单次转换模式

在单次转换模式下， ADC 执行一次转换 。CONT 位为 0 时，可通过以下方式启动此模式：

● 将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTART 位置 1（仅适用于规则通道）

● 将 JSWSTART 位置 1（适用于注入通道）

● 外部触发（适用于规则通道或注入通道）

完成所选通道的转换之后：

● 如果转换了规则通道：

— 转换数据存储在 16 位 ADC_DR 寄存器中

— EOC（转换结束）标志置 1

— EOCIE 位置 1 时将产生中断

● 如果转换了注入通道：

— 转换数据存储在 16 位 ADC_JDR1 寄存器中

— JEOC（注入转换结束）标志置 1

— JEOCIE 位置 1 时将产生中断

然后，ADC 停止。

连续转换模式

在连续转换模式下， ADC 结束一个转换后立即启动一个新的转换 。CONT 位为 1 时，可通过外部触发或将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 来启动此模式（仅适用于规则通道）。

每次转换之后：

● 如果转换了规则通道组：

— 上次转换的数据存储在 16 位 ADC_DR 寄存器中

— EOC（转换结束）标志置 1

— EOCIE 位置 1 时将产生中断

时序图

ADC 在开始精确转换之前需要一段稳定时间 t STAB 。ADC 开始转换并经过 15 个时钟周期后，EOC 标志置 1，转换结果存放在 16 位 ADC 数据寄存器中。

存储器

扫描模式

此模式用于扫描一组模拟通道。

通过将 ADC_CR1 寄存器中的 SCAN 位置 1 来选择扫描模式。将此位置 1 后，ADC 会扫描在 ADC_SQRx 寄存器（对于规则通道）或 ADC_JSQR 寄存器（对于注入通道）中选择的所有通道。为组中的每个通道都执行一次转换。每次转换结束后，会自动转换该组中的下一个通道。如果将 CONT 位置 1，规则通道转换不会在组中最后一个所选通道处停止，而是再次从第一个所选通道继续转换。

如果将 DMA 位置 1，则在每次规则通道转换之后，均使用直接存储器访问 (DMA) 控制器将转换自规则通道组的数据（存储在 ADC_DR 寄存器中）传输到 SRAM。在以下情况下，ADC_SR 寄存器中的 EOC 位置 1：

● 如果 EOCS 位清零，在每个规则组序列转换结束时

● 如果 EOCS 位置 1，在每个规则通道转换结束时

从注入通道转换的数据始终存储在 ADC_JDRx 寄存器中。

数据对齐

由于STM32的ADC是12位的，结果存储在16位的数据寄存器中，有4位用不到，所以ADC存在左对齐或右对齐的方式。为方便读数，一般都选择右对齐。

可独立设置各通道采样时间

ADC 会在数个 ADCCLK 周期内对输入电压进行采样，可使用 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2寄存器中的 SMP[2:0] 位修改周期数。每个通道均可以使用不同的采样时间进行采样。

总转换时间的计算公式如下：

T conv = 采样时间 + 12 个周期

快速转换模式

可通过降低 ADC 分辨率来执行快速转换。RES 位用于选择数据寄存器中可用的位数。每种分辨率的最小转换时间如下：

● 12 位：3 + 12 = 15 ADCCLK 周期

● 10 位：3 + 10 = 13 ADCCLK 周期

● 8 位：3 + 8 = 11 ADCCLK 周期

● 6 位：3 + 6 = 9 ADCCLK 周期

温度传感器和VRENFINT通道框图

存储器

要使用传感器，请执行以下操作：

选择 ADC1_IN16 或 ADC1_IN18 输入通道。
选择一个采样时间，该采样时间要大于数据手册中所指定的最低采样时间。
在 ADC_CCR 寄存器中将 TSVREFE 位置 1，以便将温度传感器从掉电模式中唤醒。
通过将 SWSTART 位置 1（或通过外部触发）开始 ADC 转换
读取 ADC 数据寄存器中生成的 V SENSE 数据
使用以下公式计算温度：

温度（单位为 °C）= {(V SENSE — V 25 ) / Avg_Slope} + 25

其中：

— V 25 = 25 °C 时的 V SENSE 值

— Avg_Slope = 温度与 V SENSE 曲线的平均斜率（以 mV/°C 或 μV/°C 表示）

由于ADC寄存器的相关配置相对比较简单，这里直接附上测量温度相关的ADC初始化和中断程序：

void ADC_Init()
{
  u32 prigroup = 0;                          
  u32 priority = 0;        

  RCC- >APB2ENR  |=  1< < 8;    //开ADC1时钟        

  ADC- >CCR  =  0;
  ADC- >CCR  |=  1< < 23;    //使能温度传感器和 V REFINT 通道
  ADC- >CCR  |=  1< < 16;    //ADCCLK=21mHZ

  ADC1- >CR1  =  0;//分辨率12位

  ADC1- >CR2  =  0;          //数据右对齐
  ADC1- >CR2  |=  1< < 10;    //通道只要转换结束，则将EOC置1，使能溢出检测

  ADC1- >SMPR1  =0;          //通道16采样时间3T

  ADC1- >SQR3  |=  16< < 0;

  ADC1- >CR1  |=  1< < 5;          //使能EOC中断
  ADC1- >SR  &=~  (1< < 1);        //清中断标记33
  prigroup = NVIC_GetPriorityGrouping();        //得到优先级分组
  priority = NVIC_EncodePriority(prigroup,1,2);  //优先级编码
  NVIC_SetPriority(ADC_IRQn,priority);        //设置中断优先级
  NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn);                  //使能ADC中断

  ADC1- >CR2  |=  1< < 0;      //使能ADC
  Delay_us(3);
  ADC1- >CR2  |=  1< < 30;  //启动AD转换
}


u16 ADC1_Value={0};      //定义二维数组，按行存入三个通道的转换结束
u8 ADC1_OK = 0;


//中断处理函数
void ADC_IRQHandler()
{
  if(ADC1- >SR  &  (1< < 1))
  {      
    ADC1- >SR  &=~  (1< < 1);        //写0，请标记
    ADC1_Value = ADC1- >DR;    //按行依次存入各通道的转换结果
    ADC1_OK  =  1;                //采集完成结束标记置1
  }
}

接着编写主函数测试

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "stdio.h"
#include "ADC.h"


extern u8 ADC1_OK;
extern u16 ADC1_Value;


int main()
{
  float wendu = 0; 

  NVIC_SetPriorityGrouping(7-2);
  Usart1_Init(115200);
  ADC_Init();


  while(1)
  {
    if(ADC1_OK == 1)
    {
      ADC1- >SR  &=~ (1< < 1);      //清中断标记
      ADC1_OK = 0;
      wendu = 3.3*ADC1_Value/4095;        //求温度数字值对应的模拟电压值
      wendu = (wendu -0.76)*1000/2.5+25;    //计算温度值

      printf("温度AD值：%drnwendu = %.lf°Crn",ADC1_Value,wendu);
      ADC1- >CR2  |=  1< < 0;        //再次开启ADC1
      Delay_us(3);
      ADC1- >CR2  |=  1< < 30;      //触发一次转换
    }
    Delay_ms(1000);
  }
}

从串口可以看到ADC读取的温度值，ADC温度测量成功。

存储器

对于电池电压或者其他外部模拟量的测量，配置方法与温度测量类似，这里不再赘述。如果想要让CPU更多地用于算法或者其他功能的处理，同样可以配置DMA进行数据传输。

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