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[嵌入式]【STM32】标准库与HAL库对照学习教程十一--ADC模数转换

一、前言

本篇是对STM32F1中的ADC的讲解，在本篇文章中你将了解什么是ADC、STM32中的ADC以及STM32关于ADC的配置，本篇使用标准库与HAL库进行对照配置，希望您能在本篇中有所收获。

二、准备工作

STM32F103开发板（我用的是普中的STM32F103ZE开发板）
cubemx软件、keil 5（MDK）
开发板原理图

三、ADC简介

ADC英文名analog to digital converter，模数转换器，它可以将模拟信号转换为数字信号。

按照其转换原理主要分为逐次逼近型、双积分型、电压频率转换型三种。

四、STM32F1中的ADC

1、STM32F1中的ADC介绍

STM32F103 系列一般都有 3个ADC，这些 ADC 可以独立使用，也可以使用双重，这样可以提高采样率。

STM32F1 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它具有多达 18个复用通道，可测量来自16 个外部源、2 个内部源信号。

这些通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。

ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在 16 位数据寄存器中。

ADC具有模拟看门狗特性，可以使用程序检测输入电压是否超出用户定义的阀值上限或者下限。

2、ADC的结构框图

在这里插入图片描述

图片来源于STM32F1xx中文参考手册 ADC章节

3、ADC结构解析

从上图中可以分析ADC的工作模式。

这部分的图片均来源于STM32F1xx中文参考手册 ADC章节

（1）引脚输入电压

引脚输入的ADC转换电压范围由VDDA、VSSA、VREF+、VREF- 决定。它们的定义由下图所示。
在这里插入图片描述

通常我们把 VSSA和 VREF- 接GND，把 VREF+和 VDDA 接 3.3V。
因此引脚输入的ADC转换电压范围为：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+
等价于：0 ≤ VIN ≤ 3.3V（VIN表示输入引脚的电压）

（2）输入通道

STM32 的 ADC的输入通道多达 18 个，其中外部的 16 个通道就是框图中的 ADCx_IN0…ADCx_IN5（x=1/2/3，表示ADC数）。

这 16个通道分别对应着不同的 IO口，具体是哪一个 IO口可以从数据手册查询到。

其中 ADC1 还有2个内部通道：ADC1 的通道16连接到了芯片内部的温度传感器，通道17连接到了内部参考电压 VREFINT。ADC2和ADC3的通道16、17全部连接到了内部的VSS。下图为ADC转换通道对应的引脚。参考普中PPT教程。
在这里插入图片描述

（3）转换通道

外部16个通道在转换时，可选择2个通道组：规则通道组和注入通道组。其中规则通道组最多有16路，注入通道组最多有 4 路。

规则通道组：从名字来理解，规则通道就是一种规规矩矩的通道，类似于正常执行的程序，通常我们使用的都是这个通道。
注入通道组：从名字来理解，注入即为插入，类似于中断。当程序正常往下执行时，中断可以打断程序的执行。同样如果在规则通道转换过程中，有注入通道插入，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后再回到规则通道的转换流程。

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。

（4）ADC触发源

①
ADC转化的触发源有很多，我们常用软件编写程序设置ADC控制寄存器ADC_CR2的 ADON位为1,直接使能ADC。
在这里插入图片描述

②
关于ADC的触发源由ADC 控制寄存器2-ADC_CR2 的 EXTSEL[2:0]和 JEXTSEL[2:0]位来控制。EXTSEL[2:0]用于选择规则通道的触发源，JEXTSEL[2:0]用于选择注入通道的触发源。
在这里插入图片描述

③
触发源选定好之后，触发源是否要激活，则由 ADC 控制寄存器ADC_CR2 的 EXTTRIG 和 JEXTTRIG 这两位来激活。
在这里插入图片描述

（5）ADC时钟与转换时间

①
ADC 输入时钟ADC_CLK 由 APB2经过分频产生，最大值是14MHz，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，但没有 1 分频。
在这里插入图片描述

我们知道APB2总线时钟为72M，而ADC最大工作频率为14M，所以一般设置分频因子为6，这样ADC的输入时钟ADC_CLK的频率为12M，周期为1/ADC_CLK。

②
ADC要完成对输入电压的采样需要若干个输入时钟ADC_CLK的周期。

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到9，ADC_SMPR1 控制的是通道 10到17。每个通道可以分别用不同的时间采样。
在这里插入图片描述

其中采样周期最小是1.5个。
ADC 的总转换时间的公式如下：
Tconv = 采样时间 + 12.5个周期

当ADC_CLK为14MHz时，采样时间为1.5个周期。
总的采样时间=(1.5+12.5)/14000000=1us
但一般ADC_CLK为12MHz，将上面的14000000换为12000000
采样时间约为1.17us。

（6）对齐方式

由于STM32F1的ADC是12位转换精度，4095为最大值，因此电压值=(转换的值/4095)*3.3。

数据寄存器是16位，所以ADC在存放数据的时候就有左对齐和右对齐区分。

如果是左对齐，AD转换完成数据存放在 ADC_DR 寄存器的[4:15]位内；如果是右对齐，则存放在 ADC_DR 寄存器的[0:11]位内。

具体选择何种存放方式，需通过ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。
在这里插入图片描述

（7）中断

当发生如下事件且使能相应中断标志位时，ADC能产生中断。

转换结束,规则转换与注入转换结束
模拟看门狗事件
DMA请求

五、ADC的转换模式

1、单次转换

ADC只执行一次转换，转换后停止。

转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器。

2、连续转换

ADC 结束一轮转换后立即启动新一轮的转换。

两个模式由ADC控制寄存器 2(ADC_CR2)的CONT位决定。
在这里插入图片描述

3、扫描模式

ADC扫描 选择的所有规则通道和注入通道，在每个组的每个通道上执行单次转换。如果开启了连续转换，转换完所有通道后，又会重新从第一个通道开始转换。

模式由ADC控制寄存器 1(ADC_CR1)的SCAN位决定
在这里插入图片描述

4、间断模式

触发一次，转换一个通道，在触发，在转换。在所选的所有转换通道，由触发信号启动新一轮的转换，直到转换完成为止。

模式由ADC控制寄存器 1(ADC_CR1)的JDISCEN位与DISCEN决定
在这里插入图片描述

六、硬件电路

请参考自己开发板的硬件电路，没有下面的电路，可以找一个可调的电源接到引脚上（注意电压要小于3,3V）
在这里插入图片描述

七、标准库配置ADC实验

1、配置步骤

（1）使能端口时钟和ADC时钟，设置引脚模式为模拟输入
（2）设置ADC的分频因子
（3）初始化ADC参数，包括ADC工作模式、规则序列等
（4）使能ADC并校准
（5）设置规则序列通道以及采样周期
（6）读取ADC转换值

2、配置工程

（1）复制上一章的工程，并重命名为11、ADC单通道转换。
在这里插入图片描述

（2）进入工程文件，进入APP文件，新建ADC用来存放与ADC相关的文件。
在这里插入图片描述

（3）打开工程，新建文件，并命名为adc.h与adc.c。
①
在这里插入图片描述
②

（4）添加文件到目录，并添加头文件路径。
①
在这里插入图片描述
②

（5）要使用ADC需要添加相应的文件。
①
在这里插入图片描述
②

3、实验程序

main.h

#include "Delay.h"
#include "usart.h"
#include "stdio.h"
#include "adc.h"

/*************************************************
*函数名：    main
*函数功能： 主函数
*输入：     无  
*返回值：   无
**************************************************/
int main()
{
	float Voltage; //转换的电压值
	SysTick_Init(72);
	USART1_Init(9600); 
	ADC1_CH1_Init(); //ADC初始化
	while(1)
	{
		ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);  //转换使能
		while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));  //获取标志位
		Voltage = ((float)ADC_GetConversionValue(ADC1)/4095.0)*3.3; //获取并计算电压值
		printf("转换的电压为 %.2f V\r\n",Voltage);  //将电压值输出打印
		ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC); //清空标志位
		Delay_ms(500);
	}
}

adc.h

#ifndef ADC_H_
#define ADC_H_

#include "stm32f10x.h"

void ADC1_CH1_Init(void);  //初始化ADC函数


#endif

adc.c

#include "adc.h"



/*************************************************
*函数名：     ADC1_CH1_Init
*函数功能：   ADC通道1初始化函数
*输入：       无
*返回值：     无 
**************************************************/
void ADC1_CH1_Init()
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能端口与ADC时钟
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);  //ADC时钟6分频，分频后为12MHz
	
	//初始化引脚
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;  //PA1引脚
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  //模拟输入模式
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);  //引脚初始化
	
	//初始化ADC参数
	ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1; //转换1个通道
	ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //独立模式
	ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;  //扫描模式失能
	ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  //连续转换失能
	ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;  //不使用外部触发，使用软件触发
	ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据右对齐
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);  //ADC初始化
	
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);  //使能ADC
	
	ADC_StartCalibration(ADC1); //开始指定 ADC1 的校准状态
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束
	
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5);  //设置规则通道序列并设置采样时间为1.5个周期

}

4、实验效果

这里通过改变移动滑动变阻改变输入引脚电压的值。
在这里插入图片描述

八、HAL库配置ADC实验

1、使用cubemx配置工程

(1) 打开cubemx，新建工程，选择自己的芯片。
在这里插入图片描述

(2) 配置RCC，选择外部高速时钟。
在这里插入图片描述

(3) 配置时钟树。
在这里插入图片描述

(4) 设置ADC引脚。
在这里插入图片描述

(5) 设置ADC时钟分频为6分频。
在这里插入图片描述

(5) ADC参数配置。
在这里插入图片描述

备注：Rank那里还可以设置转换周期，Discontinuous Conversion Mode是间断模式的设置

（6） 打开串口
在这里插入图片描述

（7） 工程文件配置并生成工程
①
在这里插入图片描述

②
在这里插入图片描述

2、常用函数介绍

? HAL_ADC_Start(); //开启ADC
? HAL_ADC_Start_IT(); //开启ADC与中断
? HAL_ADC_Start_DMA()；//开启ADC的DMA模式
? HAL_ADC_Stop(); //关闭ADC
? HAL_ADC_Stop_IT(); //关闭ADC与中断
? HAL_ADC_Stop_DMA(); //关闭ADC的DMA模式
? HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadcx); //ADC校准? ?
? HAL_ADC_GetValue();//获取ADC转换值
? HAL_ADC_PollForConversion(); //等待转换结束函数
hadcx:hadc1、hadc2、hadc3
Timeout:最大等待时间
ADC中断回调函数
? HAL_ADC_ConvCpltCallback()
? HAL_ADC_ConfigChannel() 配置规则组通道
? HAL_ADC_AnalogWDGConfig(）//看门狗配置

3、实验程序

①
在这里插入图片描述

#include<stdio.h>
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

②
在这里插入图片描述

float Voltage;  //电压
HAL_ADC_Start(&hadc1);  //开启ADC转换
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,50);  //等待ADC转换结束
if(HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc1), HAL_ADC_STATE_REG_EOC)) //获取转换状态
{
	Voltage = ((float)HAL_ADC_GetValue(&hadc1)/4095.0)*3.3;  //获取并计算电
	printf("Voltage = %.2f\r\n",Voltage);  //打印输出电压值
}
HAL_Delay(500);