第二部分 基础篇 - 第8章 模拟输入输出-ADC

1.1 ADC工作原理

12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有多达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。ADC 的输入时钟不得超过14MHz，它是由PCLK2经分频产生。

图1 ADC框图

1.1.1 ADC主要特征

● 12位分辨率
● 转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断
● 单次和连续转换模式
● 从通道0到通道n的自动扫描模式
● 间断模式执行
● 自校准
● 带内嵌数据一致性的数据对齐
● 采样间隔可以按通道分别编程
● 规则转换和注入转换均有外部触发选项
● 双重模式(带2个或以上ADC 的器件)
● ADC转换时间：
─ STM32F103xx增强型产品：时钟为56MHz时为1μs
(时钟为72MHz为1.17μs)
─ STM32F101xx基本型产品：时钟为28MHz时为1μs
(时钟为36MHz为1.55μs)
─ STM32F102xxUSB型产品：时钟为48MHz 时为1.2μs
─ STM32F105xx和STM32F107xx产品：时钟为56MHz时为1μs
(时钟为72MHz为1.17μs)
● ADC供电要求：2.4V到3.6V
● ADC输入范围：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+
● 规则通道转换期间有DMA请求产生。

表1 ADC引脚

【注】VDDA和VSSA应该分别连接到VDD和VSS。

1.1.2 ADC通道选择

表2 ADC对应通道

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。
通过一个形象的例子可以说明： 假如你在家里的院子内放了 5 个温度探头，室内放了 3 个温度探头； 你需要时刻监视室外温度即可，但偶尔你想看看室内的温度；因此你可以使用规则通道组循环扫描室外的 5 个探头并显示 AD 转换结果，当你想看室内温度时，通过一个按钮启动注入转换组(3 个室内探头)并暂时显示室内温度，当你放开这个按钮后，系统又会回到规则通道组继续检测室外温度。从系统设计上，测量并显示室内温度的过程中断了测量并显示室外温度的过程，但程序设计上可以在初始化阶段分别设置好不同的转换组，系统运行中不必再变更循环转换的配置，从而达到两个任务互不干扰和快速切换的结果。可以设想一下，如果没有规则组和注入组的划分，当你按下按钮后，需要从新配置 AD 循环扫描的通道，然后在释放按钮后需再次配置 AD 循环扫描的通道。
上面的例子因为速度较慢，不能完全体现这样区分(规则通道组和注入通道组)的好处，但在工业应用领域中有很多检测和监视探头需要较快地处理，这样对 AD 转换的分组将简化事件处理的程序并提高事件处理的速度。
STM32 其 ADC 的规则通道组最多包含 16 个转换，而注入通道组最多包含 4 个通道。关于这两个通道组的详细介绍，请参考《STM32 参考手册的》，我们这里就不在一一列举了。
● 规则组由多达16个转换组成。规则通道和它们的转换顺序在ADC_SQRx寄存器中选择。规则组中转换的总数应写入ADC_SQR1寄存器的L[3:0]位中。
● 注入组由多达4个转换组成。注入通道和它们的转换顺序在ADC_JSQR寄存器中选择。注入组里的转换总数目应写入ADC_JSQR寄存器的L[1:0]位中。
如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在转换期间被更改，当前的转换被清除，一个新的启动脉冲将发送到ADC 以转换新选择的组。
温度传感器和通道ADC1_IN16相连接，内部参照电压VREFINT和ADC1_IN17相连接。可以按注入或规则通道对这两个内部通道进行转换。
【注意】温度传感器和VREFINT只能出现在主ADC1 中。

1.1.3 ADC转换模式

 单次转换模式
单次转换模式下，ADC只执行一次转换。该模式既可通过设置ADC_CR2 寄存器的ADON位(只适用于规则通道)启动也可通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道)，这时CONT位为0 。一旦选择通道的转换完成：
● 如果一个规则通道被转换：
─ 转换数据被储存在16位ADC_DR寄存器中
─ EOC(转换结束)标志被设置
─ 如果设置了EOCIE，则产生中断。
● 如果一个注入通道被转换：
─ 转换数据被储存在16位的ADC_DRJ1寄存器中
─ JEOC(注入转换结束)标志被设置
─ 如果设置了JEOCIE位，则产生中断。然后ADC停止。
 连续转换模式
在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。此模式可通过外部触发启动或通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位启动，此时CONT位是1。 每个转换后：
● 如果一个规则通道被转换：
─ 转换数据被储存在16位的ADC_DR寄存器中
─ EOC(转换结束)标志被设置
─ 如果设置了EOCIE，则产生中断。
● 如果一个注入通道被转换：
─ 转换数据被储存在16位的ADC_DRJ1寄存器中
─ JEOC(注入转换结束)标志被设置
─ 如果设置了JEOCIE位，则产生中断。
 扫描模式
此模式用来扫描一组模拟通道。
扫描模式可通过设置ADC_CR1寄存器的SCAN位来选择。一旦这个位被设置，ADC扫描所有被ADC_SQRX 寄存器(对规则通道)或ADC_JSQR(对注入通道)选中的所有通道。在每个组的每个通道上执行单次转换。在每个转换结束时，同一组的下一个通道被自动转换。如果设置了CONT位，转换不会在选择组的最后一个通道上停止，而是再次从选择组的第一个通道继续转换。
如果设置了DMA位，在每次EOC后，DMA控制器把规则组通道的转换数据传输到SRAM 中。而注入通道转换的数据总是存储在ADC_JDRx寄存器中。
 间断模式
1)规则组
此模式通过设置ADC_CR1 寄存器上的DISCEN位**。它可以用来执行一个短序列的n次转换(n<=8)，此转换是ADC_SQRx寄存器所选择的转换序列的一部分。数值n由ADC_CR1寄存器的DISCNUM[2:0]位给出。
一个外部触发信号可以启动ADC_SQRx 寄存器中描述的下一轮n次转换，直到此序列所有的转换完成为止。总的序列长度由ADC_SQR1寄存器的L[3:0]定义。
举例： n=3，被转换的通道 = 0 、1、2、3、6、7、9、10
第一次触发：转换的序列为 0 、1、2
第二次触发：转换的序列为 3 、6、7
第三次触发：转换的序列为 9 、10，并产生EOC事件
第四次触发：转换的序列 0 、1、2
注意：
当以间断模式转换一个规则组时，转换序列结束后不自动从头开始。
当所有子组被转换完成，下一次触发启动第一个子组的转换。在上面的例子中，第四次触发重新转换第一子组的通道 0 、1和2。
2)注入组
此模式通过设置ADC_CR1 寄存器的JDISCEN位**。在一个外部触发事件后，该模式按通道顺序逐个转换ADC_JSQR寄存器中选择的序列。
一个外部触发信号可以启动ADC_JSQR寄存器选择的下一个通道序列的转换，直到序列中所有的转换完成为止。总的序列长度由ADC_JSQR寄存器的JL[1:0]位定义。
例子： n=1，被转换的通道 = 1 、2、3
第一次触发：通道1被转换
第二次触发：通道2被转换
第三次触发：通道3被转换，并且产生EOC和JEOC事件
第四次触发：通道1被转换
【注意】
1 当完成所有注入通道转换，下个触发启动第1个注入通道的转换。在上述例子中，第四个触发重新转换第1个注入通道1。
2 不能同时使用自动注入和间断模式。
3 必须避免同时为规则和注入组设置间断模式。间断模式只能作用于一组转换。

1.2 ADC寄存器描述

我们介绍一下我们执行规则通道的单次转换，需要用到的 ADC 寄存器。第一个要介绍的是 ADC 控制寄存器（ADC_CR1 和 ADC_CR2）。 ADC_CR1 的各位描述如图2所示。

图2 ADC_CR1 寄存器各位描述
这里我们不再详细介绍每个位，而是抽出几个我们本章要用到的位进行针对性的介绍，详细的说明及介绍，请参考《STM32 参考手册》。
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，详细的对应关系如图3所示。

图3 ADC 操作模式
本章我们要使用的是独立模式，所以设置这几位为 0 就可以了。接着我们介绍 ADC_CR2，该寄存器的各位描述如图4所示。

图4 ADC_CR2 寄存器操作模式
该寄存器我们也只针对性的介绍一些位： ADON 位用于开关 AD 转换器。而 CONT 位用于设置是否进行连续转换，我们使用单次转换，所以 CONT 位必须为 0。 CAL 和 RSTCAL 用于AD 校准。
ADC_CR2寄存器中的ALIGN位选择转换后数据储存的对齐方式。数据可以左对齐或右对齐，如图5和图6所示。
注入组通道转换的数据值已经减去了在ADC_JOFRx寄存器中定义的偏移量，因此结果可以是一个负值。SEXT位是扩展的符号值。
对于规则组通道，不需减去偏移值，因此只有12个位有效。

图5数据右对齐

图6数据左对齐
EXTSEL[2： 0]用于选择启动规则转换组转换的外部事件，详细的设置关系如图7所示。

图7 ADC 选择启动规则转换事件设置
我们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 1。AWDEN 为用于使能温度传感器和 Vrefint。 STM32 内部的温度传感器我们将在后文介绍。
第二个要介绍的是 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8。

图8 ADC_SMPR1 寄存器各位描述
ADC_SMPR2 的各位描述如下图9所示。

图9 ADC_SMPR2 寄存器各位描述
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。
常见的周期有：
1.5周期、7.5周期、13.5周期、28.5周期、41.5周期、55.5周期、71.5周期、239.5周期。
第三个要介绍的是 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，这里我们仅介绍一下 ADC_SQR1，该寄存器的各位描述如图10所示。

图10 ADC_ SQR1 寄存器各位描述
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 个通道的编号（0~17）。另外两个规则序列寄存器同 ADC_SQR1 大同小异，我们这里就不再介绍了，要说明一点的是：我们选择的是单次转换，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。
第四个要介绍的是 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11。

图11 ADC_ DRx 寄存器各位描述

图12 ADC_ SR 寄存器各位描述
这里要提醒一点的是，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。
最后一个要介绍的 ADC 寄存器为 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12。
这里我们要用到的是 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。

1.3 ADC具体代码分析

ADC详细设置步骤：
1）开启 PA 口时钟和 ADC1 时钟，设置 PA1 为模拟输入。
STM32F103ZET6 的ADC 通道 1 在 PA1 上，所以，我们先要使能 PORTA 的时钟和 ADC1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。 STM32 的 ADC 通道与GPIO 对应表2。
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,库函数的实现方法是:

void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)；

ADC 时钟复位的方法是：

ADC_DeInit(ADC1);

这个函数非常容易理解，就是复位指定的 ADC。
输入参数范围：

#define RCC_PCLK2_Div2    ((uint32_t)0x00000000)
#define RCC_PCLK2_Div4    ((uint32_t)0x00004000)
#define RCC_PCLK2_Div6    ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_PCLK2_Div8    ((uint32_t)0x0000C000)

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。
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，我们就可以开始 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，我们这里只有一个通道，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，下面我们看看其定义：

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

从函数定义可以看出，第一个参数是指定 ADC 号。这里我们来看看第二个参数，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;

ADC_Mode 故名是以是用来设置 ADC 的模式。前面讲解过， 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。
ADC_ScanConvMode 用来设置是否开启扫描模式， 因为是单次转换，这里我们选择不开启值 DISABLE 即可。
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。
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。
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。
ADC_NbrOfChannel 用来设置规则序列的长度，这里我们是单次转换，所以值为 1 即可。通过上面对每个参数的讲解， 下面来看看我们的初始化范例：

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， 我们就使能 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。
下面我们一一列出复位校准和 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

ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。在校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差。
通过设置ADC_CR2寄存器的CAL位启动校准。一旦校准结束，CAL位被硬件复位，可以开始正常转换。建议在上电时执行一次ADC校准。校准阶段结束后，校准码储存在ADC_DR 中。
【注意】
1 建议在每次上电后执行一次校准。
2 启动校准前，ADC必须处于关电状态(ADON=’0’)超过至少两个ADC时钟周期。
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 转换结果值就是了。 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

这里还需要说明一下 ADC 的参考电压，开发板的新片是STM32F103ZET6，
该芯片有外部参考电压： Vref-和 Vref+，其中 Vref-必须和 VSSA 连接在一起， 而 Vref+的输入范围为： 2.4~VDDA。战舰 STM23 开发板通过 P7 端口，设置 Vref-和 Vref+设置参考电压，默认的我们是通过跳线帽将 Vref-接到 GND， Vref+接到 VDDA，参考电压就是 3.3V。如果大家想自己设置其他参考电压，将你的参考电压接在 Vref-和 Vref+上就 OK 了。本章我们的参考电压设置的是 3.3V。
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。

本章参考代码

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