基于STM32L0 ADC使用HAL库关于校准问题经验分享

2万 · 2023-6-12 14:45

前言

最近是有一个产品用到了ADC，使用的是STM32L051 芯片，使用 STM32CubeMX 生成的代码，本来以为简简单单，但是在调用 HAL ADC校准函数的时候遇到一个问题有点疑问，度娘一下也没有找到解答，还是经过翻阅了一些资料才得到答案，特此来记录一下。

一、ADC 配置说明

详细的 STM32 ADC 的使用，本文不做过多说明，这个网上一搜一大把。

本文使用的是 HAL 库，直接用 STM32CubeMX 生成的代码，ADC 的配置步骤在我的另外一篇博文：

STM32L051测试（一、使用CubeMX生成工程文件 — ST系列芯片通用）中有过介绍：

对于其他不同型号，F1，F4 等，配置大同小异。

1.1 ADC 采样步骤

使用 CubeMX 可以大大简化工程师的使用步骤，这里直接说明一下对于使用 CubeMX 来说的 ADC 采样步骤。

ADC 采样使用步骤简单来说如下几步（以单次采样为例说明）：

配置 ADC 工作参数：包括基本配置，和通道相关参数；（STM32BubeMX 自动生成代码 MX_ADC_Init()）
ADC_MSP 初始化：包括初始化 ADC 的时钟、GPIO 引脚、 DMA 和 NVIC 相关的设置；（STM32BubeMX 自动生成代码HAL_ADC_MspInit()）
校准！使用前务必校准！；（大部分型号需要我们在程序中自己调用代码，某些型号不需要校准，后面会说明HAL_ADCEx_Calibration_Start()）
启动 ADC 转换；（我们在程序中自己写代码，调用库函数HAL_ADC_Start()）
等待转换完成；（我们在程序中自己写代码，调用库函数HAL_ADC_PollForConversion()）
获取结果；（我们在程序中自己写代码，调用库函数HAL_ADC_GetValue()）

二、ADC 校准

在上面的步骤中，我把校准用了红色字体强调说明，因为在 ADC 的使用中必须进行校准，否者自己设计的电路得到的结果可能与实际的会有不同的偏差。

2.1 什么是ADC校准？

STM32 的 ADC 校准一般有参考电压校准和增益校准。

参考电压校准：

先测量 ADC 参考电压的实际值，然后将该值与预设的参考电压进行比较，得到参考电压的偏差，最终通过校准将其校正的方式叫做参考电压校准，其目的是为了准确测量 ADC 的输入信号。

叫做增益校准:

通过测量内部基准电压和 ADC 输入信号的幅值之间的比例关系，校准 ADC 增益的方式叫做增益校准，其目的是确保 ADC 输出的数值与输入信号的幅值之间具有良好的线性关系，为了准确的转换 ADC 输入信号。

ADC 校准的目的是为了消除 ADC 的偏移误差和增益误差，从而提高测量精度。

2.2 为什么 ADC 使用需要校准？

这个为什么要用 ADC 校准，我这里也只能简单的说明一下。

这个就像芯片生产过程制造中的差异化一样，ADC部分也存在一些差异化（虽然很小），其参考电压、偏置电压、增益等参数可能存在一些不确定性和漂移，这些参数的变化会导致 ADC 的测量结果产生误差。

就想上面介绍什么是 ADC 校准最后说的，为了提高测量精度，消除 ADC 的偏移误差和增益误差，所以在使用 ADC 采样的时候都需要进行 ADC 校准。

2.2 什么时候使用 ADC 校准？

在我们使用 CubeMX 软件的时候，ADC 的配置，初始化等大部分程序都是由软件给我们生成的，我们都无需过多干预，但是校准是不会给我们自动加入程序的，这就需要我们手动的添加。

在程序中，我们只需要保证在 ADC 开始使用前（ADC 转换函数调用前），ADC 初始化后，进行校准即可。

2.3 ADC 采样每次都需要校准吗？

这个问题并不能直接回答，我们先来了解一下调用了 HAL 校准函数以后，STM32 是怎么处理的。

调用 STM32 校准函数以后，校准的结果会被保存在相应的寄存器中，以供后续的ADC测量使用。

由上面这句话可以知道，校准过后的结果会被保存起来，每次 ADC 使用的时候会从该寄存器中取校准数值，所以说一般来说，只要你上电校准过一次，就行了。

但是！注意，校准过后不用再校准是基于你的 ADC 设置没有改变，产品的工作环境稳定的前提下！

如果采样过程中你改变了 ADC 的环境，比如参考电压，采样时间等一些配置，或者一些低功耗产品，需要进行休眠，那么还是需要进行再次校准的。

还有一点，就是产品的工作环境，比如产品的环境比较恶劣，温度啊，干扰啊之类的，那么还是有必要在 ADC 的使用过程中进行定期校准的。

当然，如果我们本着严谨的作风，在产品上直接使用定期校准那也是没问题的。

2万 · 2023-6-12 14:46

三、HAL 库校准函数

上面理论的东西介绍完了，那么我们就来简单做个测试，其实我使用过程中的小疑问也是在使用过程中遇到的。

我们都知道 ADC 的校准函数为：HAL_ADCEx_Calibration_Start()

但是当我使用这个函数时候，居然出错了，如下图：

提示调用的参数太少了（确定出错是我编译过后发现的），提示函数调用参数太少了，这就奇怪了，于是我进入看看函数原型：

这里可以看到，怎么多了一个参数（上面确实有解释说明，应该填写什么），但是当时我第一反应是看一下这个参数在函数中是怎么用的，于是搜索了一下SingleDiff 这个参数，发现在HAL_ADCEx_Calibration_Start 这个函数中根本没用到这个参数？

为了搞清楚，我还去度娘问了下，发现根本没有关于这个参数的说明，所有的 STM32 ADC 有关的帖子文章，都是一样的， ADC 是啥啥啥，什么模式，解释一下，怎么用等等巴拉巴拉的……

3.1 单端校准和差分校准

其实上面的注释说明就是，这个参数就是用来选择使用哪种校准方式：单端校准ADC_SINGLE_ENDED 和差分校准ADC_DIFFERENTIAL_ENDED。

后来就去翻阅手册资料，下面是查到的说明，这里给大家参考一下：

单端校准：

单端校准是指对 ADC 的单个输入通道进行校准，主要校准项包括偏移误差和增益误差。

单端校准主要针对单端输入的情况，通过比较参考电压和输入信号之间的误差，校准ADC的增益和偏置电压。在单端输入的情况下，参考电压和输入信号之间存在可能的偏差，这会导致ADC采样结果的偏移和误差。为了解决这个问题，可以使用单端校准来校正 ADC 的增益和偏置电压。单端校准的过程是使用一个已知的模拟信号来输入 ADC，然后比较采样结果与该模拟信号的期望值，得到增益和偏置电压的偏差值，然后通过校准将其校正。

单端校准时，ADC将使用内部参考电压作为参考电压，对每个输入通道进行测量，计算出偏移误差和增益误差，并将这些误差保存在相应的寄存器中。

差分校准：

差分校准是指对 ADC 的差分输入通道进行校准，主要校准项也包括偏移误差和增益误差。

差分校准主要针对差分输入的情况，通过比较参考电压和输入信号之间的误差，校准 ADC 的差分增益和偏置电压。在差分输入的情况下，差分增益和偏置电压的偏差也会导致 ADC 采样结果的偏移和误差。为了解决这个问题，可以使用差分校准来校正 ADC 的差分增益和偏置电压。差分校准的过程是使用一个已知的差分输入信号来输入 ADC，然后比较采样结果与该差分输入信号的期望值，得到差分增益和偏置电压的偏差值，然后通过校准将其校正。

差分校准时，ADC 将使用内部参考电压作为参考电压，并将两个输入通道的差值作为输入信号进行测量，计算出偏移误差和增益误差，并将这些误差保存在相应的寄存器中。

3.2 不同系列的校准函数

所以在我们使用不同的系列的 HAL 库的时候，虽然校准函数都是HAL_ADCEx_Calibration_Start ，但是也有着一些参数的区别。

对于我目前使用的 STM32L051 来说，HAL校准函数使用的示例如下：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1,ADC_SINGLE_ENDED);

大部分情况下直接选择单端校准ADC_SINGLE_ENDED就行了，差分校准还需要外部电路的支持。

对于 STM32F 系列的来说，HAL校准函数使用的示例如下：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

......

3.3 更多的校准模式

对于更多的系列，因为自己目前没有用到，我也没有一个一个去找，但是通过资料了解到，对于有些型号，比如 STM32F4 系列的，ADC的校准由硬件自动执行，不需要额外的调用 ADC 校准函数。

虽然我没有去试，但是这个硬件自动执行校准在 STM32CubeMX 中应该可以选择，因为他需要使能，在程序中的体现为：

hadc1.Init.AutoCalibration = ENABLE;

而且在 STM32 系列中，还有支持额外校准模式（共模校准、差分共模校准）的MCU，具体哪个我也不知道，这样的MCU，在使用校准函数HAL_ADCEx_Calibration_Start的时候又多一个参数。但是这里可以告诉大家在遇到的时候不要慌张，这里给出示例。

共模校准：

/*
使能共模校准
*/
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_SINGLE_ENDED);

/* 等待共模校准完成 */
while (HAL_ADCEx_Calibration_GetState(&hadc) != HAL_ADC_CALIBRATION_STATE_COMPLETED);

差分共模校准：

/*
使能差分共模校准
*/
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc, ADC_CALIB_OFFSET, ADC_DIFFERENTIAL_ENDED);

/*
等待差分共模校准完成
*/
while (HAL_ADCEx_Calibration_GetState(&hadc) != HAL_ADC_CALIBRATION_STATE_COMPLETED);

上面的 ADC_CALIB_OFFSET 是指定进行偏置校准。

只看该作者 · 2023-6-12 21:54

ADC 校准是怎么实现的啊