STM32学习笔记（13）——模数转换ADC

Posted 2021-07-07 Mount256

这个月一直忙于准备考试，已经考完一半科目了，偷闲写了这篇文章。因为还没考完试，估计还得咕一段时间了。

STM32学习笔记（13）——模数转换ADC

• 第一部分：ADC功能框图
• • 一、输入电压
  • 二、输入通道
  • 三、规则通道
  • 四、注入通道
  • 五、触发源
  • • 1. 软件触发
    • 2. 外部事件触发
  • 六、转换时间
  • 六、数据寄存器
  • • 1. 数据规则寄存器(ADC_DR)
    • 2. 数据注入寄存器(ADC_JDRx，x=1, 2, 3, 4)
  • 七、中断
• 第二部分：ADC结构体和库函数
• • 一、ADC初始化结构体
  • • 1. 工作模式
    • 2. 扫描模式
    • 3. 连续转换模式
    • 4. 外部触发源选择
    • 5. 数据对齐格式
    • 6. 采集通道数
  • 二、ADC常用库函数

模拟量转换为数字量的过程称为A/D模数转换，完成这一转换过程的器件称为ADC（Analog-to-Digital Converter）。

在STM32中，有三个ADC：ADC1、ADC2、ADC3，其分辨率为12位，每个ADC通道具有18个通道，其中外部通道有16个。

第一部分：ADC功能框图

我们分为七个部分讲解：

一、输入电压

输入电压一般由参考电压VREF-、VREF+和VDDA（模拟电压源）和VSSA（模拟地）提供，具体的输入电压范围为VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。

在一般的电路设计中，我们会将VSSA和VREF-接地（GND），将VDDA和VREF+接高电平（即3.3V），如下图电路原理图所示。因此，ADC的输入电压范围为0 ~ 3.3V。

我们可以根据数字量来算出模拟量：首先 ADC 分辨率为12位，电压范围为 0~3.3V，则最小精度为 $\frac{3.3-0}{2^{12}}$，假设数字量为X，则最终模拟量 =$\frac{3.3-0}{2^{12}}\cdot X$。

当然，ADC可以测量范围为 0 ~ 3.3V 的电压，但如果超出这个范围的电压该如何测量呢？举一个简单的例子：如果我们想扩大测量范围至 -10 ~ +10V，可以将电路设计成如下：

根据KCL（基尔霍夫定律：节点流入电流之和等于流出电流之和）方程可得出：

$\frac{VIN-VOUT}{R2}+\frac{3.3V-VOUT}{R1}=\frac{VOUT}{R3}$

已知 R1、R2 和 R3，就能根据这个方程得出 VIN 和 VOUT 的关系式。

二、输入通道

STM32 为三个 ADC 分配了 18 个通道，如下表所示：

这是 STM32F103ZET6 的通道引脚分配，不同型号的芯片有不同的分配。在这里，对于 ADC1 和 ADC2，通道16和17均为内部通道；对于 ADC3，通道9和通道14~17均为内部通道。注意有部分 IO 引脚被重复占用。

三、规则通道

STM32 的 ADC 输入通道分为两类：规则通道和注入通道。ADC 可以对一组指定的通道，按照既定的顺序，逐个转换这组通道，转换结束后，再从头循环。这些指定的通道组被称为规则通道组（规则组），组内的通道被称为规则转换通道（规则通道）。但在实际情况中，有可能需要临时中断规则组的转换，对某些通道进行转换，这些需要中断的规则组就称为注入通道组（注入组），组内的通道被称为注入转换通道（注入通道）。

规则组最多可以设置 16 个通道。

我们可通过规则序列寄存器SQRx(x=1, 2, 3)来设置规则通道的优先顺序。规则序列寄存器一共有三个，除了寄存器SQR1的第23位至20位（SQL[3:0]）用做配置转换通道的个数外，其他都是每 5 位一组配置第 n 个转换的通道。如下表所示：

例如，配置寄存器SQR1的SQL[3:0]为3，表明有 3 个规则通道，则可在寄存器SQR3的SQ1[4:0]、SQ2[4:0]和SQ3[4:0]中分别配置为11、5、7，表明通道5、7和11都是规则通道，而且转换顺序是先通道11、再通道5、最后通道7。

四、注入通道

注入通道和规则通道有所不同的是，注入通道与中断程序类似，在规则通道进行转换时“强行”插入进行转换。因此，注入也有插入的意思，插入和规则是相对的，注入通道只有在规则通道存在的时候才会出现。

我们可通过注入序列寄存器JQSR来设置注入通道的优先顺序。注入序列寄存器只有一个，第21和20位两位（JL[1:0]）用来设置转换通道的个数，其余都是每 5 位一组配置第 n 个转换通道。如下表所示：

因为与规则通道序列寄存器类似，因此就不举例了。但要注意一点：寄存器JSQR和寄存器SQR的转换顺序是不一样的。JSQR的第 4 个转换通道其实是第一次进行转换的，第 3 个转换通道是第二次进行转换的，正好是反过来的，以此类推。

关于规则组和注入组的例子：系统需要采集温度，但又要适时监控湿度，那么湿度采集的转换通道可以放在注入组中，通过某种触发源启动转换。一旦启动注入通道转换，规则通道转换被暂停，然后等待注入通道转换完成后，规则组在进行转换。

五、触发源

1. 软件触发

是否启动 ADC 由寄存器ADC_CR2的ADON位控制，写入1则表示打开或启动模拟至数字转换器的电压。

启动转换器后，由寄存器ADC_CR2的SWSTART位和JSWSTART位分别控制规则通道的转换和注入通道的转换，写入1则表示转换使能允许。

2. 外部事件触发

寄存器ADC_CR2的EXTSEL位和EXTTRIG位控制规则通道的触发源，触发源来自TIM1_CHx(x=1, 2, 3)、TIM2_CH2、TIM4_CH4和TIM3_TRGO。EXTSEL位用于选择使用哪个触发源，EXTTRIG位用于使能触发允许或禁止。

类似地，寄存器ADC_CR2的JEXTSEL位和JEXTTRIG位控制注入通道的触发源，触发源来自TIM1_CH4、TIM2_CH1、TIM3_CH4、TIM1_TRGO、TIM2_TRGO和TIM4_TRGO。JEXTSEL位用于选择使用哪个触发源，JEXTTRIG位用于使能触发允许或禁止。

注意，以上描述的是 ADC1 和 ADC2 的触发源，ADC3 与前两者有区别，具体可参考手册内容。

GPIO 外部中断的 EXTI11 和 EXTI15 也可作为触发源。

六、转换时间

转换时间公式为：T(conv) = 采样时间 + 12.5个周期。

转换速度由 ADC 模拟时钟（ADC_CLK）决定，其最大频率为 14MHz。 ADC_CLK 由 PCLK2 提供。之前在讲解时钟树的时候已经提及过，PCLK2 在经过 APB2 预分频器后最大频率可达到 72MHz。因为 ADC_CLK 规定最大频率为 14MHz，因此， 时钟信号经过 的 ADC 预分频器的分频因子最小为 6，所以实际的最大频率为72MHz / 6 = 12MHz。

那么在哪里可以配置 ADC 预分频因子呢？注意，并不在 ADC 相关的寄存器中配置，而是在与 RCC 相关的寄存器进行配置。在寄存器RCC_CFGR的ADCPRE[1:0]可以配置 ADC 预分频因子。

ADC 需要若干个 ADC_CLK 周期才能完成对输入模拟量的采样，因此采样时间可由 n
个 ADC_CLK 周期来表示，即采样的周期数。我们可以通过两个采样时间寄存器ADC_SMPRx(x=1, 2) 来配置（如下表所示），位SMPx[2:0] (x=0-17)用来配置采样的周期。其中寄存器ADC_SMPR2控制的是通道 0~9，寄存器ADC_SMPR1控制的是通道 10~17。这意味着每个通道都可以采用不同的采样周期。

如上表所示，最快的采样周期为 1.5 个 ADC_CLK 周期，最慢的采样周期为 239.5 个 ADC_CLK 周期。而一个周期的时间一般为1 / 12MHz，所以最短的转换时间为：T(conv) = 采样时间 + 12.5个周期 = 1.5 + 12.5 = 14 个周期 = 14 *(1 / 12us) = 1.17us。

六、数据寄存器

ADC将转换好的数据存放到数据寄存器中，规则组的数据存放到寄存器ADC_DR中，注入组的数据则存放到寄存器ADC_JDRx(x=1, 2, 3, 4)中。

1. 数据规则寄存器(ADC_DR)

对于独立模式，即只使用一个 ADC 的情况（即只使用 ADC1 或 ADC2 或 ADC3）下，由于 ADC 分辨率为 12 位，所以只使用寄存器的低16位中的12位，高16位就不使用了。 这12位数据可以左对齐，也可以右对齐，这是由寄存器ADC_CR2的ALIGN来决定。

对于双ADC模式（ADC1和ADC2同时使用，注意ADC3是不能用于双ADC模式的），ADC2 的数据存放在寄存器的高16位，而 ADC1 的数据存放在寄存器的低16位。

由于数据规则寄存器只有一个，因此在使用多通道采集的时候寄存器的数据必然会被覆盖，一般的解决办法是采用DMA模式（ADC1和ADC3可用，2不可用），将转换结果转移进 DMA 中。

2. 数据注入寄存器(ADC_JDRx，x=1, 2, 3, 4)

和数据规则寄存器一样，由于 ADC 分辨率为 12 位，所以只使用寄存器的低16位中的12位，高16位就不使用了。 这12位数据可以左对齐，也可以右对齐，这是由寄存器ADC_CR2的ALIGN来决定。

由于数据注入寄存器有 4 个，因此就不存在多通道采集时所产生的数据覆盖问题了。

七、中断

ADC能产生三种中断，这三种中断对应的标志事件是：转换结束（EOC）、注入转换结束（JEOC）、模拟看门狗事件（AWID），所对应的中断使能位是EOCIE、JEOCIE、AWIDIE。

这里说明一下模拟看门狗的作用：在某些情况下我们希望模拟电压达到一定阈值后就产生一次中断，可以用模拟看门狗来监测模拟电压是否达到这个阈值，如果是，那么就会发出一次中断请求。在 ADC看门狗高阈值寄存器（ADC_HTR） 和 ADC看门狗低阈值寄存器（ADC_LRT） 可以设置这个阈值电压，两者均为低12位有效。

第二部分：ADC结构体和库函数

一、ADC初始化结构体

typedef struct
{
  uint32_t ADC_Mode; // ADC工作模式              

  FunctionalState ADC_ScanConvMode;   // ADC扫描（多通道）或单次（单通道）模式    

  FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;  // ADC单次转换或连续转换

  uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC触发源选择     

  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;

1. 工作模式

在寄存器ADC_CR1的DUALMOD[3:0]位可以配置ADC工作模式，下面来简要介绍每种模式（除了独立模式外，剩余的模式都属于双重模式，只能搭配ADC1/2）：

• 独立模式（ADC_Mode_Independent）：ADC1/2/3 单独使用其中一个。
• 同步规则模式（ADC_Mode_RegSimult）：ADC1 和 ADC2 同时转换一个规则通道组，其中 ADC1 为主，ADC2 为从，ADC1 转换的结果放在ADC_DR低16位，ADC2 转换的结果放在ADC_DR的高16位。
• 同步注入模式（ADC_Mode_InjecSimult）：ADC1 和 ADC2 同时转换一个注入通道组，其中 ADC1 为主，ADC2 为从，ADC1 转换的结果放在各自的ADC_JDR。
• 快速交叉模式（ADC_Mode_FastInterl）：ADC1 和 ADC2 交替采集一个规则通道组（通常为一个规则通道），当 ADC2 触发后，ADC1 需要等待 7 个 ADCCLK 之后才能触发。
• 慢速交叉模式（ADC_Mode_SlowInterl）：ADC1 和 ADC2 交替采集一个规则通道组（只能为一个规则通道），当 ADC2 触发后，ADC1 需要等待 14 个 ADCCLK 之后才能触发。
• 交替触发模式（ADC_Mode_AlterTrig）：ADC1 和 ADC2 轮流采集注入通道组，当 ADC1 采集完所有通道后，ADC2 再采集自己的通道，如此循环。
• 混合的同步规则+注入同步模式（ADC_Mode_RegInjecSimult）：规则组同步转换被中断，以启动注入组的同步转换。
• 混合的同步规则+交替触发模式（ADC_Mode_RegSimult_AlterTrig）：规则组同步转换被中断，以启动注入组的交替触发转换。
• 混合同步注入+快速交叉模式（ADC_Mode_InjecSimult_FastInterl）：快速交叉转换被中断，同步注入启动。
• 混合同步注入+慢速交叉模式（ADC_Mode_InjecSimult_SlowInterl）：慢速交叉转换被中断，同步注入启动。

其中，同步规则模式和快速交叉模式比较常用。

2. 扫描模式

在寄存器ADC_CR1的SCAN位进行配置。

实际是一个使能位：选择单通道扫描（ENABLE）还是多通道扫描（DISABLE）。

3. 连续转换模式

在寄存器ADC_CR2的CONV位进行配置。

实际是一个使能位：对通道选择采集一次（DISABLE）还是不停地重复采集（ENABLE）。

4. 外部触发源选择

寄存器ADC_CR2的EXTSEL位和EXTTRIG位控制规则通道的触发源，寄存器ADC_CR2的JEXTSEL位和JEXTTRIG位控制注入通道的触发源。

可参考功能框图讲解的第五节触发源。

5. 数据对齐格式

由寄存器ADC_CR2的ALIGN来配置数据的左对齐或右对齐。

6. 采集通道数

由寄存器ADC_SQR1的L[3:0]位或寄存器ADC_JSQR的JL[1:0]位进行配置。

二、ADC常用库函数

以下为ADC常用的库函数：

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState); // 软件触发
void ADC_ExternalTrigInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState); // 外部引脚触发
void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

ADC未完待续~