STM32F429第二十八篇之ADC

Posted 2021-12-28 海洋想想

文章目录

• 前言
• 框图
• 1.对外引脚
• • 引脚描述
  • 输入电压与AD值关系
• 2.输入通道
• • 通道与GPIO
  • 规则转换与注入转换
  • 转换顺序
• 3. 触发源
• • 控制开关
  • 外部触发源
• 4. 时钟与时间
• • 时钟
  • 转化时间
• 5.转换模式
• • 5.1单次转换模式
  • 5.2 连续转换模式
  • 5.3 扫描模式
  • 5.4 非连续模式
• 6.数据处理
• • 数据对齐
  • DMA
• 7.中断

前言

STM32F429有3个独立的ADC。每个ADC为12位逐次逼近的模数转换器。该ADC具有19个复用通道，其中16个通道用于外部测量，两个内部源和VBAT通道。AD转换的结果存在一个16位的数据寄存器中，可以选择为左对齐或者右对齐。

本文主要参考资料：

• ST.RM0090
• ST.STM32F427xx STM32F429xx数据手册
• 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南——基于STM32F4.机械工业出版社.

框图

上图为ADC的框图，是对ADC功能的总体描述，我将其分成7个部分，下面分别陈述：

1.对外引脚

引脚描述

ADC的供电引脚为 $V_{DDA}$ 和 $V_{SSA}$。
ADC的参考电压为 $V_{REF+}$ 和 $V_{REF-}$。
每个ADC有16个输入通道，输入电压范围为：$V_{REF-}\le V_{In}\le V_{REF-}$。在实际设计中，将 $V_{REF-}$连接到$V_{SSA}$。将 $V_{REF+}$ 连接到$V_{DDA}$，且为3.3V。

输入电压与AD值关系

若ADC的输入电压范围0~3.3V，且ADC为12位的话，那么，实际电压 $V$ 与ADC读取$N$的关系为：
$$V=\frac{N}{2^{12}}\times 3.3$$

2.输入通道

通道与GPIO

在F429中，每个ADC包含19个输入通道，其中有16个为外部输入通道，也就是ADCx_IN[15:0]。ADC输入通道与GPIO之间的关系如下表所示：

通道	ADC1	ADC2	ADC3
0	PA0	PA0	PA0
1	PA1	PA1	PA1
2	PA2	PA2	PA2
3	PA3	PA3	PA3
4	PA4	PA4	PF6
5	PA5	PA5	PF7
6	PA6	PA6	PF8
7	PA7	PA7	PF9
8	PB0	PB0	PF10
9	PB1	PB1	PF3
10	PC0	PC0	PC0
11	PC1	PC1	PC1
12	PC2	PC2	PC2
13	PC3	PC3	PC3
14	PC4	PC4	PF4
15	PC5	PC5	PF5
16	VSS	VSS	VSS
17	$V_{REFINT}$	VSS	VSS
18	内部温度传感器/$V_{BAT}$	VSS	VSS

规则转换与注入转换

如上表所示，每个ADC都有16个外部复用通道。可以将16个外部通道分成两组：规则转换和注入转换。

• 规则转换最多由16路通道构成。一般我们使用的就是规则转换。
• 注入转换最多由4路通道构成。注入转换就是在规则转换中强行插入的一种转换。如果在规则转换过程中，有注入转换插队，则需要等注入通道完成后，在回归到规则转换。有点类似于中断程序。

转换顺序

规则转换

与规则转换顺序相关的寄存器共有3个，分别为SQR3，SQR2，SQR1。通过这三个寄存器，可以设置规则转换的数量和转换的先后顺序。

SQR3

SQR2

SQR1

通过上图可以发现，三个寄存器大致可以分成两个部分：

• SQ1~SQ16：设置第1到第16个转换的通道。若想ADCx_IN16在规则转化中第一个转换，只需要将SQ1设置为16即可。
• L：用于表示该规则转化的总转换的个数。

注入转换

3. 触发源

控制开关

STM32的ADC有两个控制开关，两者都在ADC_CR2寄存器中。

1. ADON控制ADC的上电与掉电。
2. SWSTART和JSWSTART用于启动AD转换——软件触发。

外部触发源

除了使用SWSTART和JSWSTART软件触发外，在F429中还可以使用事件触发。

配置触发极性

如图所示，当寄存器值不是00时，则可以通过事件的极性触发外部转换。

触发事件选择

4. 时钟与时间

时钟

ADC同时使用两种时钟：

1. 用于模拟电路的时钟：ADCCLK
   该时钟来自于APB2时钟，通过预分频器进行2分频，4分频，6分频或者8分频。
   
   根据数据手册可以知道：
   在STM32F429中，ADCCLK最大频率为36M，而APB2的一般配置为90M，所以，在F429中，AD采样的频率一般设置为：90/4=22.5M。

2. 用于数字接口的时钟——用于寄存器的读/写访问。
   ADC的寄存器读写时钟为APB2。

转化时间

在ADC转化中，所花费的时间功分成两个部分：

• 采样时间
• 转化时间

其中采样时间可以通过ADC_SMPR1和ADC_SMPR2来设置。其中可以选择的采样时间分别为：

• 3个周期
• 15个周期
• 28个周期
• 56个周期
• 84个周期
• 112个周期
• 144个周期
• 480个周期

若为了提高整个转换过程的速度，可以减小采样时间，也就是选择3个周期的采样时间。

而转化时间与AD的位数成正比，每位需要一个采样周期。这样，就可以知道，一般的，选择3个周期采样时间的12位AD，完成一次转换需要花费的时钟周期为：

$$3+12=15$$

一般的，在F429中，ADC时钟为22.5MHz，所以，总转化时间为：

$$t_{CONV}=\frac{15}{22.5\times 10^6}=0.6667\times 10^{-6}s=0.6667\mu s$$

这是数据手册中提供的典型数据，同样可以通过相同的方法算出。

5.转换模式

5.1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。

5.2 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

5.3 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。

5.4 非连续模式

规则组

可将 ADC_CR1 寄存器中的 DISCEN 位置 1 来使能此模式。该模式可用于转换含有 n (n ≤ 8) 个转换的短序列，该短序列是在 ADC_SQRx 寄存器中选择的转换序列的一部分。可通过写 入 ADC_CR1 寄存器中的 DISCNUM[2:0] 位来指定 n 的值。

出现外部触发时，将启动在 ADC_SQRx 寄存器中选择的接下来 n 个转换，直到序列中的所 有转换均完成为止。通过 ADC_SQR1 寄存器中的 L[3:0] 位定义总序列长度。

示例：
n = 3，要转换的通道 = 0、1、2、3、6、7、9、10
第 1 次触发：转换序列 0、1、2
第 2 次触发：转换序列 3、6、7
第 3 次触发：转换序列 9、10 并生成 EOC 事件
第 4 次触发：转换序列 0、1、2

注意：

• 在不连续采样模式下转换规则组时，不会出现翻转。
• 转换完所有子组后，下一个触发信号将启动第一个子组的转换。在上述示例中，第 4 次触发 重新转换了第 1 个子组中的通道 0、1 和 2。

注入组

可将 ADC_CR1 寄存器中的 JDISCEN 位置 1 来使能此模式。在出现外部触发事件之后，可 使用该模式逐通道转换在 ADC_JSQR 寄存器中选择的序列。

出现外部触发时，将启动在 ADC_JSQR 寄存器中选择的下一个通道转换，直到序列中的所 有转换均完成为止。通过 ADC_JSQR 寄存器中的 JL[1:0] 位定义总序列长度。

示例：
n = 1，要转换的通道 = 1、2、3
第 1 次触发：转换通道 1
第 2 次触发：转换通道 2
第 3 次触发：转换通道 3 并生成 EOC 和 JEOC 事件
第 4 次触发：通道 1

注意：

• 转换完所有注入通道后，下一个触发信号将启动第一个注入通道的转换。在上述示例中，第 4 次触发重新转换了第 1 个注入通道。
• 不能同时使用自动注入和不连续采样模式。
• 不得同时为规则组和注入组设置不连续采样模式。只能针对一个组使能不连续采样模式。

6.数据处理

数据对齐

因为ADC转换的数据通常不是一个完整的字节或者字节的倍数，所以，获取的数据就需要进行对齐。在F429中，通过ADC_CR2
寄存器中的 ALIGN 位用于选择转换后存储的数据的对齐方式。可以选择左对齐有右对齐两种。

注入通道组的转换数据将减去 ADC_JOFRx 寄存器中写入的用户自定义偏移量，因此结果可 以是一个负值。SEXT 位表示扩展
的符号值。

对于规则组中的通道，不会减去任何偏移量，因此只有十二个位有效。

特例：采用左对齐时，数据基于半字进行对齐，除了分辨率设置为 6 位时。分辨率设置为 6 位 时，数据基于字节进行对齐，如图 40 所示。

DMA

不使用DMA

如果转换过程足够慢，则可使用软件来处理转换序列。在这种情况下，必须将 ADC_CR2 寄 存器中的 EOCS 位置 1，才能使EOC 状态位在每次转换结束时置 1，而不仅是在序列结束 时置 1。当 EOCS = 1 时，会自动使能溢出检测。因此，每当转换结束时，EOC 都会置 1，并且可以读取 ADC_DR 寄存器。溢出管理与使用 DMA 时的管理相同。

要在 EOCS 位置 1 时将 ADC 从 OVR 状态中恢复，请按以下步骤操作：

1. 将 ADC_SR 寄存器中的 ADC OVR 位清零
2. 触发 ADC 以开始转换。

使用DMA

由于规则通道组只有一个数据寄存器，因此，对于多个规则通道的转换，使用 DMA 非常有帮助。这样可以避免丢失在下一次写入之前还未被读出的 ADC_DR 寄存器中的数据。在使能 DMA 模式的情况下（ADC_CR2 寄存器中的 DMA 位置 1），每完成规则通道组中的 一个通道转换后，都会生成一个DMA 请求。这样便可将转换的数据从 ADC_DR 寄存器传输 到用软件选择的目标位置。

尽管如此，如果数据丢失（溢出），则会将 ADC_SR 寄存器中的 OVR 位置 1 并生成一个中 断（如果 OVRIE 使能位已置 1）。随后会禁止 DMA 传输并且不再接受 DMA 请求。在这种 情况下，如果生成 DMA 请求，则会中止正在进行的规则转换并忽略之后的规则触发。随后需要将所使用的 DMA 流中的 OVR 标志和 DMAEN 位清零，并重新初始化 DMA 和 ADC， 以将需要的转换通道数据传输到正确的存储器单元。注入通道转换不会受到溢出错误的影响。 在 DMA 模式下，当 OVR = 1 时，传送完最后一个有效数据后会阻止 DMA 请求，这意味着 传输到 RAM 的所有数据均被视为有效。

在最后一次 DMA 传输（DMA 控制器的 DMA_SxRTR 寄存器中配置的传输次数）结束时：

• 如果将 ADC_CR2 寄存器中的 DDS 位清零，则不会向 DMA 控制器发出新的 DMA 请求（这可避免产生溢出错误）。不过，硬件不会将 DMA 位清零。必须将该位写入 0 然后写入 1 才能启动新的传输。
• 如果将 DDS 位置 1，则可继续生成请求。从而允许在双缓冲区循环模式下配置 DMA。

要在使用 DMA 时将 ADC 从 OVR 状态中恢复，请按以下步骤操作：

1. 重新初始化 DMA（调整目标地址和 NDTR 计数器）
2. 将 ADC_SR 寄存器中的 ADC OVR 位清零
3. 触发 ADC 以开始转换。

7.中断