STM32学习笔记一一ADC

2017/08/07 STM32

1.STM32 ADC 简介

STM32 拥有 1~3 个 ADC(STM32F101/102 系列只有 1 个 ADC),这些 ADC 可以独立使用,也可以使用双重模式(提高采样率)。 STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有 18 个通道,可测量 16 个外部和 2 个内部信号源。各通道的 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(12位)存储在 16 位数据寄存器中。 模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。

STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz,也就是转换时间为 1us(在 ADCCLK=14M,采样周期为 1.5 个 ADC 时钟下得到),不要让 ADC 的时钟超过 14M,否则将导致结果准确度下降。STM32 将 ADC 的转换分为 2 个通道组:规则通道组和注入通道组。规则通道相当于你正常运行的程序,而注入通道呢,就相当于中断。在你程序正常执行的时候,中断是可以打断你的执行的。同这个类似,注入通道的转换可以打断规则通道的转换, 在注入通道被转换完成之后,规则通道才得以继续转换。

STM32 的 ADC 在单次转换模式下,只执行一次转换,该模式可以通过 ADC_CR2 寄存器的 ADON 位(只适用于规则通道)启动,也可以通过外部触发启动(适用于规则通道和注入通道),这是 CONT 位为 0。以规则通道为例,一旦所选择的通道转换完成,转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器中,EOC(转换结束)标志将被置位,如果设置了 EOCIE,则会产生中断。然后 ADC 将停止,直到下次启动。 __

2.规则通道的单次转换

1.相关 ADC 寄存器

  1. ADC 控制寄存器(ADC_CR1ADC_CR2

a.ADC_CR1

这里写图片描述

ADC_CR1 的 SCAN 位,该位用于设置扫描模式,由软件设置和清除,如果设置为 1,则使用扫描模式,如果为 0,则关闭扫描模式。在扫描模式下,由 ADC_SQRx 或 ADC_JSQRx 寄存器选中的通道被转换。如果设置了 EOCIE 或 JEOCIE,只在最后一个通道转换完毕后才会产生 EOC 或 JEOC 中断

ADC_CR1[19: 16]用于设置 ADC 的操作模式,详细的对应关系如下图:

这里写图片描述

b.ADC_CR2.该寄存器的各位描述如图:

这里写图片描述

ADON 位用于开关 AD 转换器。CONT 位用于设置是否进行连续转换,我们使用单次转换,CONT 位必须为 0。 CAL 和 RSTCAL 用于AD 校准。 ALIGN 用于设置数据对齐,使用右对齐,该位设置为 0。

EXTSEL[2: 0]用于选择启动规则转换组转换的外部事件

这里写图片描述

这里使用的是软件触发(SWSTART),所以设置这 3 个位为 111。 ADC_CR2 的SWSTART 位用于开始规则通道的转换,我们每次转换(单次转换模式下)都需要向该位写 1AWDEN 为用于使能温度传感器和 Vrefint。

2.ADC 采样事件寄存器(ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2)

这两个寄存器用于设置通道 0~17 的采样时间,每个通道占用 3 个位。ADC_SMPR1 的各位描述如图:

这里写图片描述

          ADC_SMPR1 寄存器各位描述

ADC_SMPR2 的各位描述如下图:

这里写图片描述

对于每个要转换的通道,采样时间建议尽量长一点,以获得较高的准确度,但是这样会降低 ADC 的转换速率。 ADC 的转换时间可以由以下公式计算:

Tcovn=采样时间+12.5 个周期

其中:Tcovn :为总转换时间,采样时间是根据每个通道的 SMP 位的设置来决定的。例如,当 ADCCLK=14Mhz 的时候,并设置 1.5 个周期的采样时间,则得到: Tcovn=1.5+12.5=14 个周期=1us。

3.ADC 规则序列寄存器(ADC_SQR1~3)

该寄存器总共有 3 个,这几个寄存器的功能都差不多,这里仅介绍一下 ADC_SQR1,该寄存器的各位描述如图 :

这里写图片描述

L[3: 0]用于存储规则序列的长度,我们这里只用了 1 个,所以设置这几个位的值为 0。其他的 SQ13~16 则存储了规则序列中第 13~16 通道的编号(编号范围: 0~17)。另外两个规则序列寄存器同 ADC_SQR1 大同小异,要说明一点的是:是单次转换,所以只有一个通道在规则序列里面,这个序列就是 SQ1,通过 ADC_SQR3 的最低 5位(也就是 SQ1) 设置。

4.ADC 规则数据寄存器(ADC_DR)

规则序列中的 AD 转化结果都将被存在这个寄存器里面,而注入通道的转换结果被保存在 ADC_JDRx 里面。 ADC_DR 的各位描述如图 :

这里写图片描述

该寄存器的数据可以通过 ADC_CR2 的 ALIGN 位设置左对齐还是右对齐。在读取数据的时候要注意。

5.ADC 状态寄存器(ADC_SR)

该寄存器保存了 ADC 转换时的各种状态。该寄存器的各位描述如图:

这里写图片描述

这里用到的是 EOC 位,我们通过判断该位来决定是否此次规则通道的 AD 转换已经完成,如果完成我们就从 ADC_DR 中读取转换结果,否则等待转换完成。 __

3.STM32 的单次转换模式设置步骤

1) 开启 PA 口和 ADC1 时钟,设置 PA1 为模拟输入

STM32F103RCT6 的 ADC 通道 1 在 PA1 上,所以,我们先要使能 PORTA 的时钟,然后设置 PA1 为模拟输入。 使能 GPIOA 和 ADC 时钟用RCC_APB2PeriphClockCmd 函数,设置 PA1的输入方式,使用 GPIO_Init 函数即可。这里我们列出 STM32 的 ADC 通道与 GPIO 对应表:

这里写图片描述

2)复位 ADC1,同时设置 ADC1 分频因子。

开启 ADC1 时钟之后,我们要复位 ADC1,将 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值之后我们就可以通过 RCC_CFGR 设置 ADC1 的分频因子。分频因子要确保 ADC1 的时钟(ADCCLK)不要超过 14Mhz。 这个我们设置分频因子位 6,时钟为 72/6=12MHz,库函数的实现方是:

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

ADC 时钟复位的方法是:

ADC_DeInit(ADC1);

3)初始化 ADC1 参数,设置 ADC1 的工作模式以及规则序列的相关信息。

在设置完分频因子之后,就可以开始 ADC1 的模式配置了,设置单次转换模式、触发方式选择、数据对齐方式等都在这一步实现。同时,我们还要设置 ADC1 规则序列的相关信息。

这里只有一个通道,并且是单次转换的,所以设置规则序列中通道数为 1。这些在库函数中是通过函数 ADC_Init 实现的,其定义:

void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

第一个参数:指定 ADC 号。

第二个参数:跟其他外设初始化一样,同样是通过设置结构体成员变量的值来设定参数。

typedef struct
{
	uint32_t ADC_Mode;
	FunctionalState ADC_ScanConvMode;
	FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;
	uint32_t ADC_ExternalTrigConv;
	uint32_t ADC_DataAlign;
	uint8_t ADC_NbrOfChannel;
	}ADC_InitTypeDef

参数 ADC_Mode :用来设置 ADC 的模式.ADC 的模式非常多,包括独立模式,注入同步模式等等,这里我们选择独立模式,所以参数为ADC_Mode_Independent

参数 ADC_ScanConvMode :用来设置是否开启扫描模式,因为我们的实验是单通道单次转换,所以这里我们选择不开启值 DISABLE 即可。

参数 ADC_ContinuousConvMode: 用来设置是否开启连续转换模式,因为是单次转换模式,所以我们选择不开启连续转换模式, DISABLE 即可。

参数 ADC_ExternalTrigConv: 是用来设置启动规则转换组转换的外部事件,这里我们选择软件触发,选择值为 ADC_ExternalTrigConv_None 即可。

参数 DataAlign: 用来设置 ADC 数据对齐方式是左对齐还是右对齐,这里我们选择右对齐方式ADC_DataAlign_Right

参数 ADC_NbrOfChannel :用来设置规则序列的长度, 我们实验只开启一个通道,所以值为 1 即可。

初始化范例:

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC 工作模式:独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //AD 单通道模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //AD 单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
//转换由软件而不是外部触发启动
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC 数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //顺序进行规则转换的 ADC 通道的数目 1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //根据指定的参数初始化外设 ADCx

5)使能 ADC 并校准

在设置完了以上信息后,就使能 AD 转换器,执行复位校准和 AD 校准,注意这两步是必须的!不校准将导致结果很不准确。

使能指定的 ADC 的方法是:

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能指定的 ADC1

执行复位校准的方法是:

ADC_ResetCalibration(ADC1);

执行 ADC 校准的方法是:

ADC_StartCalibration(ADC1); //开始指定 ADC1 的校准状态

记住,每次进行校准之后要等待校准结束。这里是通过获取校准状态来判断是否校准是否结束。

复位校准和 AD 校准的等待结束方法:

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校 AD 准结束

6)读取 ADC 值。

在上面的校准完成之后, ADC 就算准备好了。接下来我们要做的就是设置规则序列 1 里面的通道,采样顺序,以及通道的采样周期,然后启动 ADC 转换。在转换结束后,读取 ADC 转换结果值。

这里设置规则序列通道以及采样周期的函数是:

void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

我们这里是规则序列中的第 1 个转换,同时采样周期为 239.5,所以设置为:

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );

软件开启 ADC 转换的方法是:

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//使能指定的 ADC1 的软件转换启动功能

开启转换之后,就可以获取转换 ADC 转换结果数据,方法是:

ADC_GetConversionValue(ADC1);

同时在 AD 转换中,我们还要根据状态寄存器的标志位来获取 AD 转换的各个状态信息。库函数获取 AD 转换的状态信息的函数是:

FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG)

比如我们要判断 ADC1d 的转换是否结束,方法是:

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束

通过以上几个步骤的设置,我们就能正常的使用 STM32 的 ADC1 来执行 AD 转换操作了。

注:说明一下 ADC 的参考电压, MiniSTM32 开发板使用的是STM32F103RCT6,该芯片没有外部参考电压引脚, ADC 的参考电压直接取自 VDDA,也就是 3.3V。 _____

4.例程分析

//初始化ADC
//这里我们仅以规则通道为例
//我们默认将开启通道0~3	
																   
void  Adc_Init(void)
{ 	
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; 
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1	, ENABLE );	  //使能ADC1通道时钟
 

	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);   //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M

	//PA1 作为模拟通道输入引脚                         
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;		//模拟输入引脚
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	

	ADC_DeInit(ADC1);  //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值

	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;	//ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;	//模数转换工作在单通道模式
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;	//模数转换工作在单次转换模式
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	//转换由软件而不是外部触发启动
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	//ADC数据右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;	//顺序进行规则转换的ADC通道的数目
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);	//根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器   

  
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);	//使能指定的ADC1
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);	//使能复位校准  
	 
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));	//等待复位校准结束
	
	ADC_StartCalibration(ADC1);	 //开启AD校准
 
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));	 //等待校准结束
 
//	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);		//使能指定的ADC1的软件转换启动功能

}	
			  
//获得ADC值
//ch:通道值 0~3

u16 Get_Adc(u8 ch)   
{
  	//设置指定ADC的规则组通道,一个序列,采样时间
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5 );	//ADC1,ADC通道,采样时间为239.5周期	  			    
  
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);		//使能指定的ADC1的软件转换启动功能	
	 
	while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束

	return ADC_GetConversionValue(ADC1);	//返回最近一次ADC1规则组的转换结果
}

//多次测量,得到平均结构,提高测量值的准确度

u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
	u32 temp_val=0;
	u8 t;
	for(t=0;t<times;t++)
	{
		temp_val+=Get_Adc(ch);
		delay_ms(5);
	}
	return temp_val/times;
}

参考:

原子 STM32 教程—库函数

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