ADC模数转换（一）——独立模式单通道电压采集实验

图21-1（截自stm32f103参考手册）

图21-1为ADC的功能框图，下面将围绕这个框图进行解析。

电压输入范围

图21-2（截自stm32f103参考手册）

ADC一般用于采集小电压，其输入值不能超过 $V_{DDA}$ ，即： $V_{REF-} le Vin le V_{REFf+}$ 。相关的定义见图21-2。一般把 $V_{SSA}$ 和 $V_{REF-}$ 接地， $V_{DDA}$ 和 $V_{REF+}$ 接3V3，那么ADC的输入范围是0~3.3V。

如果想采集到超过阈值的模拟电压，则可改善电路，使其输入ADC的电压在有效范围内即可。

输入通道

电压经过输入通道进入ADC。stm32的ADC共有18个通道，其中16个是外部通道，ADCx_IN0~ADCx_IN15。还有两个内部通道。相关的引脚定义和描述可在开发板的数据手册里找。

而外部的16个通道又分为规则通道（最多16路）和注入通道（最多4路）。一般情况下我们使用规则通道，而注入通道需要在规则通道转换过程中强行插入的，一旦插入后得先等注入通道转换完成再继续规则通道的转换。类似于中断服务。

转换顺序

三个规则序列寄存器ADC_SQR1、ADC_SQR2、ADC_SQR3，分别定义着第13~16、第7~12、第1~6个转换，哪个通道想要哪个转换，即可赋值对应通道给相应的转换位。例如，通道0想要第9个转换，则在SQ9[4:0]写0即可。而具体的转换数目则由ADC_SQR1 的L[3:0]决定，最多16个转换。

而注入序列寄存器只有ADC_JSQR一个，最多支持4个通道，具体转换数目由JL[1:0]位决定。需要注意的是，如果JL位的值小于4（不含4），则转换顺序刚好相反，即第一次转换的是JSQx[4:0]（x=4-JL），而不是JSQ1[4:0]。

触发源

除了可以用ADC_CR2寄存器的ADON位控制转换的开始与停止，还可以支持触发转换。包括内部定时器触发和外部IO触发。具体的触发源由ADC_CR2的EXTSEL[2:0]位（规则通道触发源）和JEXTSEL[2:0]位（注入通道触发源）控制。

转换时间

ADC的输入时钟ADCCLK由PCLK2分频产生，分频因子由RCC_CFGR的ADCPRE[1:0]配置，可配置2/4/6/8分频，分频后的ADCCLK最大应不超过14MHz。

在进行输入电压的采样时，可以配置ADC_SMPR1（通道0~9）、ADC_SMPR2（通道10~17）寄存器的SMP[2:0]位，来控制采样周期。每个通道可以配置不同的采样周期，最小周期是1.5个。那么，ADC的转换时间为（参考手册里有公式表述）：

T = 采样时间 + 12.5个周期，其中1周期为1/ADCCLK

例如，ADCCLK分频后为12MHz（PCLK2为72MHz，6分频），采样时间为1.5个周期，则T=14个周期=1.17us。

ADC_DR和ADC_JDRx

ADC_DR和ADC_JDRx分别是规则数据寄存器和注入数据寄存器。ADC_DR只有一个，有32位，低16位在单ADC时使用，高16位在ADC1中双模式下保存ADC2转换的规则数据（双模式就是ADC1和ADC2同时使用）。

规则通道多达16个，而ADC_DR只有一个，在多通道转换的情况下，就需要将前一个时间点转换的数据快速移出，否则会被下一个时间点转换的数据覆盖。这里用到DMA模式，可将数据传输到内存。如图21-3是ADC_DR的寄存器描述。

图21-3

注入通道最多只有4个，刚好ADC_JDRx也有4个，每个通道都有对应的寄存器，不会产生数据覆盖问题。如图21-4为ADC_JDRx的寄存器描述。

图21-4

由于ADC精度为12位，所以无论在低16位或高16位，都无法完全放满，这时由ADC_CR2的ALIGN位配置转换结果的左对齐或右对齐。

中断

分为三种：规则通道转换结束中断、注入通道转换结束中断和模拟看门狗中断。前两种转换结束中断就是普通的根据中断标志位和使能位判断执行。这里说明下模拟看门狗中断。

使能模拟看门狗中断后，当被ADC转换的模拟电压值低于低阈值或高于高阈值时，便会产生中断。阈值的高低值由ADC_LTR和ADC_HTR配置。

DMA请求

规则和注入通道转换结束后会产生DMA请求，用于将转换好的数据传输到内存。需要注意的是，只有ADC1和ADC3可以产生DMA请求。（有关DMA请求可移步stm32：DMA数据传输）

电压转换

模拟电压转换后是一个12位的数字值，坦诚地讲，这个值人类是看不懂的，所以需要再次转换成可读性较好的电压值，也就是用万用表量到的电压值。

一般情况下，ADC的输入电压范围在0~3.3v，所以12位满量程对应的电压值为3.3v，数字值为2^12。我们假设ADC转换后的12位的值为x，其对应的电压值为y，那么，

$2^{12} / 3.3 = x / y$ ，即 $y = (3.3*x) / 2^{12}$

所求得的y值便是我们需要的电压值，也就是用万用表测得的值。

ADC_InitTypeDef

至此，ADC的基础部分大概清楚了，可以开始进行程序的说明了。先讲讲ADC_InitTypeDef结构体。

图21-5

图21-5的结构体截图自stm32f10x_adc.h文件，下面对其结构体成员逐一分析。

ADC_Mode：ADC模式，使用一个ADC为独立模式，使用两个ADC为双模式等等。由ADC_CR1寄存器的DUALMOD[3:0]位配置；
ADC_ScanConvMode：配置是否使能扫描。如果是单通道AD转换则DISABLE，如果是多通道AD转换则ENABLE。具体由ADC_CR1寄存器的SCAN位配置；
ADC_ContinuousConvMode：配置是否自动连续转换。ENABLE为使能自动连续转换，DISABLE为单次转换（转换一次后需要手动控制才能重新启动转换）。具体由ADC_CR2寄存器的CONT位配置；
ADC_ExternalTrigConv：外部触发转换，图21-1列出了很多外部触发条件，可根据项目需求配置触发来源。不过我们一般使用软件触发；
ADC_DataAlign：转换结果数据对齐模式，可选ADC_DataAlign_Right和ADC_DataAlign_Left，我们一般选择右对齐模式；
ADC_NbrOfChannel：AD转换通道数量，根据项目实际配置即可。

独立模式单通道采集实验

这个实验被用来实现电位器（滑动变阻器）电压的采集，通过串口将采集到的电压值打印到串口调试助手。这里使用AD转换完成中断，在中断服务函数中读取数据，不使用DMA传输，在多通道采集时才使用DMA传输。

ADC的GPIO配置

使能ADC外设的GPIO时钟，将ADC的引脚配置为模拟输入模式。

查阅数据手册的引脚定义说明（Table 5. High-density STM32F103xx pin definitions），我们可以选择PC1引脚，该引脚支持ADC1/2/3_IN11，后面的ADC配置程序会用到，如图21-6。关于外设引脚模式的配置可查阅参考手册的8.1.11外设的GPIO配置章节，如图21-7。

图21-6

图21-7

ADC配置

其实就是配置ADC_InitTypeDef结构体的成员，配置成项目需要的。直接贴出代码，比较直观。

/**
  * @brief  配置ADC工作模式
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void ADC_Mode_Config(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;	

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;                     // 独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;                          // 这是单通道实验，不使用扫描                  
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;                     // 连续转换
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;    // 不使用外部触发，使用软件触发
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;                 // 转化结果右对齐
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;                                // 通道数量，这是单通道，所以为1
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);                                      // 配置ADC时钟为8分频，即9MHz
    // 转换通道、转换顺序、采样时间（这里是55.5个周期）
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_11, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); 
    ADC_ITConfig(ADC1, ADC_IT_EOC, ENABLE);                                // 转换结束中断

    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    ADC_ResetCalibration(ADC1);                                            // 初始化ADC校准寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));                            // 等待校准寄存器初始化完成
    ADC_StartCalibration(ADC1);                                            // ADC开始校准
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));                                 // 等待校准完成

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);                                // 软件触发ADC转换
}

相关的分析都在程序注释里了，很容易读懂。这里只说明一个关键点。ADC_RegularChannelConfig()函数用来配置ADC的转换顺序和采样时间等，关于采样时间的周期选择，周期越长，采样精度越高，反之则反。

中断配置

关于中断的配置，在之前的文章也介绍了，可移步阅读。这里直接贴出配置代码。

/**
  * @brief  ADC中断配置
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void ADC_NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = ADC1_2_IRQn;            // ADC中断源
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;    // 抢占优先级为1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;           // 子优先级为1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

中断服务函数

中断函数一般定义在stm32f10x_it.c文件里，进入中断服务函数后，在函数内直接读取ADC转换结果，并保存在ADC_ConvertedValue变量里，该变量是在main.c文件里定义的。

extern __IO uint16_t ADC_ConvertedValue;                         // 该变量在main.c文件定义，所以需添加extern关键字

void ADC_IRQHandler(void)
{	
    if (ADC_GetITStatus(ADC1, ADC_IT_EOC) == SET) 
    {
	ADC_ConvertedValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);       // 读取ADC的转换值
    }
    ADC_ClearITPendingBit(ADC1, ADC_IT_EOC);
}

ADC_GetConversionValue()库函数直接读取ADC_DR寄存器的值。

最后在main()函数里执行电压转换的公式即可得出我们需要的电压值了。

ADC_ConvertedValueLocal = (float)ADC_ConvertedValue / 4096 * 3.3;

那么ADC_ConvertedValueLocal 即为我们需要的值了，可以和万用表测量到的值做对比。