何謂ADC？STM32中的ADC有什么功能？

ADC簡介

STM32F103系列有3個(gè)ADC，精度為12位，每個(gè)ADC最多有16個(gè)外部通道。其中ADC1和ADC2都有16個(gè)外部通道，ADC3一般有8個(gè)外部通道，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷執(zhí)行，ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊儲(chǔ)存在16位數(shù)據(jù)寄存器中。ADC的輸入時(shí)鐘不得超過14MHz，其時(shí)鐘頻率由PCLK2分頻產(chǎn)生。

ADC功能框圖講解

學(xué)習(xí)STM32開發(fā)板上的外設(shè)時(shí)首先要了解其外設(shè)的功能框圖，如下：

功能框圖可以大體分為7部分，下面一一講解：

電壓輸入范圍

ADC所能測(cè)量的電壓范圍就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+，把 VSSA 和 VREF-接地，把 VREF+和 VDDA 接 3V3，得到ADC 的輸入電壓范圍為：0~3.3V。

輸入通道

ADC的信號(hào)輸入就是通過通道來實(shí)現(xiàn)的，信號(hào)通過通道輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，將模擬信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)。STM32中的ADC有著18個(gè)通道，其中外部的16個(gè)通道已經(jīng)在框圖中標(biāo)出，如下：

這16個(gè)通道對(duì)應(yīng)著不同的IO口，此外ADC1/2/3 還有內(nèi)部通道：ADC1 的通道 16 連接到了芯片內(nèi)部的溫度傳感器， Vrefint 連接到了通道 17。ADC2 的模擬通道 16 和 17 連接到了內(nèi)部的 VSS。

ADC的全部通道如下圖所示：

外部的16個(gè)通道在轉(zhuǎn)換時(shí)又分為規(guī)則通道和注入通道，其中規(guī)則通道最多有16路，注入通道最多有4路（注入通道貌似使用不多），下面簡單介紹一下兩種通道：

規(guī)則通道顧名思義就是，最平常的通道、也是最常用的通道，平時(shí)的ADC轉(zhuǎn)換都是用規(guī)則通道實(shí)現(xiàn)的。

注入通道是相對(duì)于規(guī)則通道的，注入通道可以在規(guī)則通道轉(zhuǎn)換時(shí)，強(qiáng)行插入轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于一個(gè)“中斷通道”吧。當(dāng)有注入通道需要轉(zhuǎn)換時(shí)，規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換會(huì)停止，優(yōu)先執(zhí)行注入通道的轉(zhuǎn)換，當(dāng)注入通道的轉(zhuǎn)換執(zhí)行完畢后，再回到之前規(guī)則通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換順序

知道了ADC的轉(zhuǎn)換通道后，如果ADC只使用一個(gè)通道來轉(zhuǎn)換，那就很簡單，但如果是使用多個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換就涉及到一個(gè)先后順序了，畢竟規(guī)則轉(zhuǎn)換通道只有一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。多個(gè)通道的使用順序分為倆種情況：規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換順序和注入通道的轉(zhuǎn)換順序。

規(guī)則通道中的轉(zhuǎn)換順序由三個(gè)寄存器控制：SQR1、SQR2、SQR3，它們都是32位寄存器。SQR寄存器控制著轉(zhuǎn)換通道的數(shù)目和轉(zhuǎn)換順序，只要在對(duì)應(yīng)的寄存器位SQx中寫入相應(yīng)的通道，這個(gè)通道就是第x個(gè)轉(zhuǎn)換。具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

通過SQR1寄存器就能了解其轉(zhuǎn)換順序在寄存器上的實(shí)現(xiàn)了：

和規(guī)則通道轉(zhuǎn)換順序的控制一樣，注入通道的轉(zhuǎn)換也是通過注入寄存器來控制，只不過只有一個(gè)JSQR寄存器來控制，控制關(guān)系如下：

需要注意的是，只有當(dāng)JL=4的時(shí)候，注入通道的轉(zhuǎn)換順序才會(huì)按照J(rèn)SQ1、JSQ2、JSQ3、JSQ4的順序執(zhí)行。當(dāng)JL《4時(shí)，注入通道的轉(zhuǎn)換順序恰恰相反，也就是執(zhí)行順序?yàn)椋篔SQ4、JSQ3、JSQ2、JSQ1。

配置轉(zhuǎn)換順序的函數(shù)如下代碼所示：

/** * @brief Configures for the selected ADC regular channel its corresponding * rank in the sequencer and its sample time. * @param ADCx： where x can be 1， 2 or 3 to select the ADC peripheral. * @param ADC_Channel： the ADC channel to configure. * This parameter can be one of the following values： * @arg ADC_Channel_0： ADC Channel0 selected * @arg ADC_Channel_1： ADC Channel1 selected * @arg ADC_Channel_2： ADC Channel2 selected * @arg ADC_Channel_3： ADC Channel3 selected * @arg ADC_Channel_4： ADC Channel4 selected * @arg ADC_Channel_5： ADC Channel5 selected * @arg ADC_Channel_6： ADC Channel6 selected * @arg ADC_Channel_7： ADC Channel7 selected * @arg ADC_Channel_8： ADC Channel8 selected * @arg ADC_Channel_9： ADC Channel9 selected * @arg ADC_Channel_10： ADC Channel10 selected * @arg ADC_Channel_11： ADC Channel11 selected * @arg ADC_Channel_12： ADC Channel12 selected * @arg ADC_Channel_13： ADC Channel13 selected * @arg ADC_Channel_14： ADC Channel14 selected * @arg ADC_Channel_15： ADC Channel15 selected * @arg ADC_Channel_16： ADC Channel16 selected * @arg ADC_Channel_17： ADC Channel17 selected * @param Rank： The rank in the regular group sequencer. This parameter must be between 1 to 16. * @param ADC_SampleTime： The sample time value to be set for the selected channel. * This parameter can be one of the following values： * @arg ADC_SampleTime_1Cycles5： Sample time equal to 1.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_7Cycles5： Sample time equal to 7.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_13Cycles5： Sample time equal to 13.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_28Cycles5： Sample time equal to 28.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_41Cycles5： Sample time equal to 41.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_55Cycles5： Sample time equal to 55.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_71Cycles5： Sample time equal to 71.5 cycles * @arg ADC_SampleTime_239Cycles5： Sample time equal to 239.5 cycles * @retval None */void ADC_RegularChannelConfig（ADC_TypeDef* ADCx， uint8_t ADC_Channel， uint8_t Rank， uint8_t ADC_SampleTime）{ 函數(shù)內(nèi)容略;}

觸發(fā)源

ADC轉(zhuǎn)換的輸入、通道、轉(zhuǎn)換順序都已經(jīng)說明了，但ADC轉(zhuǎn)換是怎么觸發(fā)的呢？就像通信協(xié)議一樣，都要規(guī)定一個(gè)起始信號(hào)才能傳輸信息，ADC也需要一個(gè)觸發(fā)信號(hào)來實(shí)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

其一就是通過直接配置寄存器觸發(fā)，通過配置控制寄存器CR2的ADON位，寫1時(shí)開始轉(zhuǎn)換，寫0時(shí)停止轉(zhuǎn)換。在程序運(yùn)行過程中只要調(diào)用庫函數(shù)，將CR2寄存器的ADON位置1就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，比較好理解。

另外，還可以通過內(nèi)部定時(shí)器或者外部IO觸發(fā)轉(zhuǎn)換，也就是說可以利用內(nèi)部時(shí)鐘讓ADC進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換，也可以利用外部IO使ADC在需要時(shí)轉(zhuǎn)換，具體的觸發(fā)由控制寄存器CR2決定。

在參考手冊(cè)中可以找到，ADC_CR2寄存器的詳情如下：

轉(zhuǎn)換時(shí)間

還有一點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)換時(shí)間的問題，ADC的每一次信號(hào)轉(zhuǎn)換都要時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間由輸入時(shí)鐘和采樣周期來決定。

由于ADC在STM32中是掛載在APB2總線上的，所以ADC得時(shí)鐘是由PCLK2（72MHz）經(jīng)過分頻得到的，分頻因子由 RCC 時(shí)鐘配置寄存器RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE［1:0］設(shè)置，可以是 2/4/6/8 分頻，一般配置分頻因子為8，即8分頻得到ADC的輸入時(shí)鐘頻率為9MHz。

采樣周期是確立在輸入時(shí)鐘上的，配置采樣周期可以確定使用多少個(gè)ADC時(shí)鐘周期來對(duì)電壓進(jìn)行采樣，采樣的周期數(shù)可通過 ADC采樣時(shí)間寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP［2:0］位設(shè)置，ADC_SMPR2 控制的是通道 0~9， ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每個(gè)通道可以配置不同的采樣周期，但最小的采樣周期是1.5個(gè)周期，也就是說如果想最快時(shí)間采樣就設(shè)置采樣周期為1.5.

轉(zhuǎn)換時(shí)間=采樣時(shí)間+12.5個(gè)周期

12.5個(gè)周期是固定的，一般我們?cè)O(shè)置 PCLK2=72M，經(jīng)過 ADC 預(yù)分頻器能分頻到最大的時(shí)鐘只能是 12M，采樣周期設(shè)置為 1.5 個(gè)周期，算出最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1.17us。

數(shù)據(jù)寄存器

轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)就存放在數(shù)據(jù)寄存器中，但數(shù)據(jù)的存放也分為規(guī)則通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和注入通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的。

規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器負(fù)責(zé)存放規(guī)則通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，通過32位寄存器ADC_DR來存放：

當(dāng)使用ADC獨(dú)立模式（也就是只使用一個(gè)ADC，可以使用多個(gè)通道）時(shí)，數(shù)據(jù)存放在低16位中，當(dāng)使用ADC多模式時(shí)高16位存放ADC2的數(shù)據(jù)。需要注意的是ADC轉(zhuǎn)換的精度是12位，而寄存器中有16個(gè)位來存放數(shù)據(jù)，所以要規(guī)定數(shù)據(jù)存放是左對(duì)齊還是右對(duì)齊。

當(dāng)使用多個(gè)通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，然鵝數(shù)據(jù)寄存器只有一個(gè)，多個(gè)數(shù)據(jù)存放在一個(gè)寄存器中會(huì)覆蓋數(shù)據(jù)導(dǎo)致ADC轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，所以我們經(jīng)常在一個(gè)通道轉(zhuǎn)換完成之后就立刻將數(shù)據(jù)取出來，方便下一個(gè)數(shù)據(jù)存放。一般開啟DMA模式將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，傳輸在一個(gè)數(shù)組中，程序?qū)?shù)組讀操作就可以得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

DMA的使用之前介紹過：DMA介紹。

注入通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)寄存器有4個(gè)，由于注入通道最多有4個(gè)，所以注入通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)都有固定的存放位置，不會(huì)跟規(guī)則寄存器那樣產(chǎn)生數(shù)據(jù)覆蓋的問題。ADC_JDRx 是 32 位的，低 16 位有效，高 16 位保留，數(shù)據(jù)同樣分為左對(duì)齊和右對(duì)齊，具體是以哪一種方式存放，由ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 設(shè)置。

中斷

從框圖中可以知道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后可以產(chǎn)生中斷，有三種情況：

規(guī)則通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，可以在中斷函數(shù)中讀取規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器的值。這也是單通道時(shí)讀取數(shù)據(jù)的一種方法。

注入通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之后，可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，并且也可以在中斷中讀取注入數(shù)據(jù)寄存器的值，達(dá)到讀取數(shù)據(jù)的作用。

當(dāng)輸入的模擬量（電壓）不再閾值范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生看門狗事件，就是用來監(jiān)視輸入的模擬量是否正常。

以上中斷的配置都由ADC_SR寄存器決定：

當(dāng)然，在轉(zhuǎn)換完成之后也可以產(chǎn)生DMA請(qǐng)求，從而將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中讀取到內(nèi)存中。

電壓轉(zhuǎn)換

要知道，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是一個(gè)12位的二進(jìn)制數(shù)，我們需要把這個(gè)二進(jìn)制數(shù)代表的模擬量（電壓）用數(shù)字表示出來。比如測(cè)量的電壓范圍是0~3.3V，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)是x，因?yàn)?2位ADC在轉(zhuǎn)換時(shí)將電壓的范圍大小（也就是3.3）分為4096（2^12）份，所以轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)x代表的真實(shí)電壓的計(jì)算方法就是：

y=3.3* x / 4096

初始化結(jié)構(gòu)體

每個(gè)外設(shè)的核心就是其對(duì)應(yīng)的初始化結(jié)構(gòu)體了，ADC的初始化結(jié)構(gòu)體代碼如下：

typedef struct { uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式選擇 FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC 掃描（多通道）或者單次（單通道）模式選擇 FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 單次轉(zhuǎn)換或者連續(xù)轉(zhuǎn)換選擇 uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)選擇 uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 數(shù)據(jù)寄存器對(duì)齊格式 uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道數(shù) } ADC_InitTypeDef;

通過配置初始化結(jié)構(gòu)體來設(shè)置ADC的相關(guān)信息。

單通道電壓采集

用這個(gè)程序來簡單熟練一下ADC的單通道電壓采集吧，程序使用了ADC1的通道11，對(duì)應(yīng)的IO口是PC^1，因?yàn)椴┲鞯拈_發(fā)板上PC ^1引腳沒有任何復(fù)用，使用中斷，在中斷中讀取轉(zhuǎn)換的電壓。

頭文件

為了提高文件的可移植性，頭文件中定義了一些與ADC和中斷相關(guān)的量，在移植程序的時(shí)候只需要修改頭文件中的定義即可。

#ifndef __ADC_H#define __ADC_H#include “stm32f10x.h”/* 采用ADC1的通道11 引腳為PC^1 模式必須是模擬輸入*/#define ADC_GPIO_RCC RCC_APB2Periph_GPIOC#define ADC_GPIO_PORT GPIOC#define ADC_GPIO_PIN GPIO_Pin_1#define ADC_GPIO_MODE GPIO_Mode_AIN /* 配置與中斷有關(guān)的信息 */#define ADC_IRQn ADC1_2_IRQn#define ADC_RCC RCC_APB2Periph_ADC1/* 配置ADC初始化結(jié)構(gòu)體的宏定義 */#define ADCx ADC1#define ADCx_ContinuousConvMode ENABLE //連續(xù)轉(zhuǎn)換模式#define ADCx_DataAlign ADC_DataAlign_Right //轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊#define ADCx_ExternalTrigConv ADC_ExternalTrigConv_None //不使用外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換，采用軟件觸發(fā)#define ADCx_Mode ADC_Mode_Independent //只使用一個(gè)ADC，獨(dú)立模式#define ADCx_NbrOfChannel 1 //一個(gè)轉(zhuǎn)換通道#define ADCx_ScanConvMode DISABLE //禁止掃描模式，多通道時(shí)使用/* 通道信息和采樣周期 */#define ADC_Channel ADC_Channel_11#define ADC_SampleTime ADC_SampleTime_55Cycles5/* 函數(shù)聲明 */void ADC_COnfig（void）;void ADC_NVIC_Config（void）;void ADC_GPIO_Config（void）;void ADCx_Init（void）;#endif /* __ADC_H */

引腳配置函數(shù)

首先配置相應(yīng)的GPIO引腳，畢竟模擬信號(hào)是通過GPIO引腳傳輸?shù)介_發(fā)板的，注意的是，引腳的模式一定要是模擬輸入！

void ADC_GPIO_Config（void）{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;RCC_APB2PeriphClockCmd（ADC_GPIO_RCC， ENABLE）;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = ADC_GPIO_MODE ;GPIO_Init（ADC_GPIO_PORT ， &GPIO_InitStruct）;}

配置引腳就是老套路：聲明結(jié)構(gòu)體變量、開啟時(shí)鐘、寫入結(jié)構(gòu)體、初始化GPIO。

NVIC配置函數(shù)

因?yàn)槲覀兪窃谵D(zhuǎn)換完成后利用中斷，在中斷函數(shù)中讀取數(shù)據(jù)，所以要首先配置中斷函數(shù)的優(yōu)先級(jí)，因?yàn)槌绦蛑兄挥羞@一個(gè)中斷，所以優(yōu)先級(jí)的配置就比較隨意。

void ADC_NVIC_Config（void）{NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct ;/* 配置中斷優(yōu)先級(jí)分組（設(shè)置搶占優(yōu)先級(jí)和子優(yōu)先級(jí)的分配），在函數(shù)在misc.c */NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_1） ;/* 配置初始化結(jié)構(gòu)體 在misc.h中 *//* 配置中斷源 在stm32f10x.h中 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;/* 配置搶占優(yōu)先級(jí) */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;/* 配置子優(yōu)先級(jí) */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;/* 使能中斷通道 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;/* 調(diào)用初始化函數(shù) */NVIC_Init（&NVIC_InitStruct） ;}

ADC配置函數(shù)

ADC的配置函數(shù)是ADC的精髓，在這個(gè)函數(shù)中包含的內(nèi)容有：ADC的初始化結(jié)構(gòu)體配置、配置了時(shí)鐘分頻、配置了通道轉(zhuǎn)換順序、打開轉(zhuǎn)換中斷、進(jìn)行校準(zhǔn)、軟件觸發(fā)ADC采集等。

函數(shù)中都有詳細(xì)的注釋：

void ADC_COnfig（void）{ ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct; RCC_APB2PeriphClockCmd（ADC_RCC， ENABLE）; /* 配置初始化結(jié)構(gòu)體，詳情見頭文件 */ ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode ; ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ; ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ; ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ; ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ; ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ADCx_ScanConvMode ; ADC_Init（ADCx， &ADC_InitStruct）; /* 配置ADC時(shí)鐘為8分頻，即9M */ RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div8）; /* 配置ADC通道轉(zhuǎn)換順序和時(shí)間 */ ADC_RegularChannelConfig（ADCx， ADC_Channel， 1， ADC_SampleTime ）; /* 配置為轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生中斷 在中斷中讀取信息 */ ADC_ITConfig（ADCx， ADC_IT_EOC，ENABLE）; /* 開啟ADC，進(jìn)行轉(zhuǎn)換 */ ADC_Cmd（ADCx， ENABLE ）; /* 重置ADC校準(zhǔn) */ ADC_ResetCalibration（ADCx）; /* 等待初始化完成 */ while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ ADCx）） /* 開始校準(zhǔn) */ ADC_StartCalibration（ADCx）; /* 等待校準(zhǔn)完成 */ while （ADC_GetCalibrationStatus（ADCx））; /* 軟件觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換 */ ADC_SoftwareStartConvCmd（ADCx， ENABLE）;}

中斷函數(shù)

在中斷函數(shù)中進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存放在變量result中，此處使用關(guān)鍵字extern聲明，代表變量result已經(jīng)在其他文件中定義，關(guān)于extern的介紹在之前發(fā)的文章中有extern關(guān)鍵字的介紹。

extern uint16_t resurt;void ADC1_2_IRQHandler（void）{ /* 判斷產(chǎn)生中斷請(qǐng)求 */ while（ADC_GetITStatus（ADCx， ADC_IT_EOC） == SET） resurt=ADC_GetConversionValue（ADCx）; /* 清除中斷標(biāo)志 */ ADC_ClearITPendingBit（ADCx， ADC_IT_EOC）;}

主函數(shù)

主函數(shù)負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)換的值，并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，然后通過串口打印在計(jì)算機(jī)上，便于調(diào)試。

變量result是主函數(shù)中的全局變量，注意最后的結(jié)果應(yīng)該轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型。

#include “stm32f10x.h”#include “usart.h”#include “adc.h”uint16_t result;void delay（void）{ uint16_t k=0xffff; while（k--）;}int main（void）{ float voltage; /* 串口調(diào)試函數(shù) */ DEBUG_USART_Config（）; /* 與ADC相關(guān)的函數(shù)打包在此函數(shù)中 */ ADCx_Init（）; while（1） { /* 強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型 */ voltage = （float） result/4096*3.3; printf（“ 電壓值為：%f ”，voltage）; delay（）; }}

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