基于STM32的ADC—电压采集

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ADC简介（什么是ADC）
STM32f103 系列有 3 个 ADC，精度为 12 位，每个 ADC 最多有 16 个外部通道。其中 ADC1 和 ADC2 都有 16 个外部通道，ADC3 根据 CPU 引脚的不同通道数也不同，一般都有 8 个外部通道。 ADC 的模式非常多，功能非常强大，下面我们就来分析ADC功能框图的每个部分。

1：电压输入范围

      ADC 输入范围为：VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由 VREF-、VREF+ 、VDDA 、VSSA、这四个外部引脚决定。

      我们在设计原理图的时候一般把 VSSA 和 VREF- 接地，把 VREF+ 和 VDDA 接 3V3，得到 ADC 的输入电压范围为：0~3.3V。

      如果我们想让输入的电压范围变宽，去到可以测试负电压或者更高的正电压，我们可以在外部加一个电压调理电路，把需要转换的电压抬升或者降压到 0~3.3V，这样 ADC 就可以测量。

2：输入通道

      我们确定好 ADC 输入电压之后，那么电压怎么输入到 ADC？这里我们引入通道的概念，STM32 的 ADC 多达 18 个通道，其中外部的 16 个通道就是框图中的 ADCx_IN0、ADCx_IN1…ADCx_IN5。这 16 个通道对应着不同的 IO 口，具体是哪一个 IO 口可以从手册查询到。其中 ADC1/2/3 还有内部通道：ADC1 的通道 16 连接到了芯片内部的温度传感器，Vrefint 连接到了通道 17。ADC2 的模拟通道 16 和 17 连接到了内部的 VSS。ADC3 的模拟通道 9、14、15、16 和 17 连接到了内部的 VSS。

规则通道

规则通道：顾名思意，规则通道就是很规矩的意思，我们平时一般使用的就是这个通道，或者应该说我们用到的都是这个通道，没有什么特别要注意的可讲。

注入通道

注入，可以理解为插入，插队的意思，是一种不安分的通道。它是一种在规则通道转换的时候强行插入要转换的一种通道。如果在规则通道转换过程中，有注入通道插队，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。这点跟中断程序很像，都是不安分的主。所以，注入通道只有在规则通道存在时才会出现。

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转换顺序

规则序列

规则序列寄存器有 3 个，分别为 SQR3、SQR2、SQR1。SQR3 控制着规则序列中的第一个到第六个转换，对应的位为：SQ1[4:0]~SQ6[4:0]，第一次转换的是位 4:0 SQ1[4:0]，如果通道 16 想第一次转换，那么在 SQ1[4:0] 写 16 即可。SQR2 控制着规则序列中的第 7 到第 12 个转换，对应的位为：SQ7[4:0]~SQ12[4:0]，如果通道 1 想第 8 个转换，则 SQ8[4:0] 写 1 即可。SQR1 控制着规则序列中的第 13 到第 16 个转换，对应位为：SQ13[4:0]~SQ16[4:0]，如果通道 6 想第 10 个转换，则 SQ10[4:0] 写 6 即可。具体使用多少个通道，由 SQR1 的位 L[3:0] 决定，最多 16 个通道。

注入序列

      注入序列寄存器 JSQR 只有一个，最多支持 4 个通道，具体多少个由 JSQR 的 JL[1:0] 决定。如果 JL 的值小于 4 的话，则 JSQR 跟 SQR 决定转换顺序的设置不一样，第一次转换的不是 JSQR1[4:0]，而是 JCQRx[4:0] ，x = 4-JL），跟 SQR 刚好相反。如果 JL=00（1 个转换），那么转换的顺序是从 JSQR4[4:0] 开始，而不是从 JSQR1[4:0] 开始，这个要注意，编程的时候不要搞错。当 JL 等于 4 时，跟 SQR 一样。

5:触发源

      通道选好了，转换的顺序也设置好了，那接下来就该开始转换了。ADC 转换可以由 ADC 控制寄存器 2: ADC_CR2 的 ADON 这个位来控制，写 1 的时候开始转换，写 0 的时候停止转换，这个是最简单也是最好理解的开启 ADC 转换的控制方式，理解起来没啥技术含量。

6：转换时间

ADC 时钟

      ADC 输入时钟 ADC_CLK 由 PCLK2 经过分频产生，最大是 14M，分频因子由 RCC 时钟配置寄存器 RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE[1:0] 设置，可以是 2/4/6/8 分频，注意这里没有 1 分频。一般我们设置 PCLK2=HCLK=72M。

采样时间

      ADC 使用若干个 ADC_CLK 周期对输入的电压进行采样，采样的周期数可通过 ADC 采样时间寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP[2:0] 位设置，ADC_SMPR2 控制的是通道 0~9， ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是1.5 个，即如果我们要达到最快的采样，那么应该设置采样周期为 1.5 个周期，这里说的周期就是 1/ADC_CLK。

      ADC 的转换时间跟 ADC 的输入时钟和采样时间有关，公式为：Tconv = 采样时间 + 12.5 个周期。当 ADCLK = 14MHZ（最高），采样时间设置为 1.5 周期（最快），那么总的转换时间（最短）Tconv = 1.5 周期 + 12.5 周期 = 14 周期 = 1us。

      一般我们设置 PCLK2=72M，经过 ADC 预分频器能分频到最大的时钟只能是 12M（Tconv = 采样时间（1/ADC_CLK） + 12.5 个周期），采样周期设置为 1.5 个周期，算出最短的转换时间为 1.17us，这个才是最常用的。

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数据寄存器
      一切准备就绪后，ADC 转换后的数据根据转换组的不同，规则组的数据放在 ADC_DR 寄存器，注入组的数据放在 JDRx。

2.1 规则数据寄存器
      ADC 规则组数据寄存器 ADC_DR 只有一个，是一个 32 位的寄存器，低 16 位在单 ADC 时使用，高 16 位是在 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。在单模式下，ADC1/2/3 都不使用高 16 位。因为 ADC 的精度是 12 位，无论 ADC_DR 的高 16 或者低 16 位都放不满，只能左对齐或者右对齐，具体是以哪一种方式存放，由 ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

      规则通道可以有 16 个这么多，可规则数据寄存器只有一个，如果使用多通道转换，那转换的数据就全部都挤在了 DR 里面，前一个时间点转换的通道数据，就会被下一个时间点的另外一个通道转换的数据覆盖掉，所以当通道转换完成后就应该把数据取走，或者开启 DMA 模式，把数据传输到内存里面，不然就会造成数据的覆盖。最常用的做法就是开启 DMA 传输

2.2 注入数据寄存器
      ADC 注入组最多有 4 个通道，刚好注入数据寄存器也有 4 个，每个通道对应着自己的寄存器，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。ADC_JDRx 是 32 位的，低 16 位有效，高 16 位保留，数据同样分为左对齐和右对齐，具体是以哪一种方式存放，由 ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

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中断
3.1 转换结束中断
      数据转换结束后，可以产生中断，中断分为三种：规则通道转换结束中断，注入转换通道转换结束中断，模拟看门狗中断。其中转换结束中断很好理解，跟我们平时接触的中断一样，有相应的中断标志位和中断使能位，我们还可以根据中断类型写相应配套的中断服务程序。

3.2 模拟看门狗中断
      当被 ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就会产生中断，前提是我们开启了模拟看门狗中断，其中低阈值和高阈值由 ADC_LTR 和 ADC_HTR 设置。例如我们设置高阈值是 2.5V，那么模拟电压超过 2.5V 的时候，就会产生模拟看门狗中断，反之低阈值也一样。

3.3 DMA请求
      规则和注入通道转换结束后，除了产生中断外，还可以产生 DMA 请求，把转换好的数据直接存储在内存里面。要注意的是只有 ADC1 和 ADC3 可以产生 DMA 请求。有关 DMA 请求需要配合《STM32F10X-中文参考手册》DMA 控制器这一章节来学习。一般我们在使用 ADC 的时候都会开启 DMA 传输。

只看该作者 · 2024-2-27 20:00

电压转换（公式）
模拟电压经过 ADC 转换后，是一个 12 位的数字值，如果通过串口以 16 进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压，也可以跟实际的模拟电压（用万用表测）对比，看看转换是否准确。

我们一般在设计原理图的时候会把 ADC 的输入电压范围设定在：0~3.3v，因为 ADC 是 12 位的，那么 12 位满量程对应的就是 3.3V，12 位满量程对应的数字值是：2^12。数值 0 对应的就是 0V。如果转换后的数值为 X ，X 对应的模拟电压为 Y，那么会有这么一个等式成立： 2^12 / 3.3 = X/ Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。

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ADC读取电压的软件设计（多通道DMA读取）
5.1 编程要点
初始 ADC 用到的 GPIO；
设置 ADC 的工作参数并初始化；
设置 ADC 工作时钟；
设置 ADC 转换通道顺序及采样时间；
配置使能 ADC 转换完成中断，在中断内读取转换完数据；
使能 ADC；
使能软件触发 ADC 转换

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5.2 标准库
配置ADC的GPIO口以及ADC外设（开启DMA）

__IO uint16_t ADC_ConvertedValue[NOFCHANEL]={0,0,0,0};

/**
  * @brief  ADC GPIO 初始化
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void ADCx_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

// 打开 ADC IO端口时钟
ADC_GPIO_APBxClock_FUN ( ADC_GPIO_CLK, ENABLE );

// 配置 ADC IO 引脚模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN1|
ADC_PIN2|
ADC_PIN3|
ADC_PIN4|
ADC_PIN5|
ADC_PIN6;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;

// 初始化 ADC IO
GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

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

// 打开DMA时钟
RCC_AHBPeriphClockCmd(ADC_DMA_CLK, ENABLE);
// 打开ADC时钟
ADC_APBxClock_FUN ( ADC_CLK, ENABLE );

// 复位DMA控制器
DMA_DeInit(ADC_DMA_CHANNEL);

// 配置 DMA 初始化结构体
// 外设基址为：ADC 数据寄存器地址
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ( u32 ) ( & ( ADC_x->DR ) );

// 存储器地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)ADC_ConvertedValue;

// 数据源来自外设
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;

// 缓冲区大小，应该等于数据目的地的大小
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = NOFCHANEL;

// 外设寄存器只有一个，地址不用递增
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;

// 存储器地址递增
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;

// 外设数据大小为半字，即两个字节
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;

// 内存数据大小也为半字，跟外设数据大小相同
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;

// 循环传输模式
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;

// DMA 传输通道优先级为高，当使用一个DMA通道时，优先级设置不影响
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;

// 禁止存储器到存储器模式，因为是从外设到存储器
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;

// 初始化DMA
DMA_Init(ADC_DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure);

// 使能 DMA 通道
DMA_Cmd(ADC_DMA_CHANNEL , ENABLE);

// ADC 模式配置
// 只使用一个ADC，属于单模式
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;

// 扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE ;

// 连续转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;

// 不用外部触发转换，软件开启即可
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;

// 转换结果右对齐
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

// 转换通道个数
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = NOFCHANEL;

// 初始化ADC
ADC_Init(ADC_x, &ADC_InitStructure);

// 配置ADC时钟Ｎ狿CLK2的8分频，即9MHz
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);

// 配置ADC 通道的转换顺序和采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL1, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL2, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL3, 3, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL4, 4, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL5, 5, ADC_SampleTime_55Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL6, 6, ADC_SampleTime_55Cycles5);

// 使能ADC DMA 请求
ADC_DMACmd(ADC_x, ENABLE);

// 开启ADC ，并开始转换
ADC_Cmd(ADC_x, ENABLE);

// 初始化ADC 校准寄存器
ADC_ResetCalibration(ADC_x);
// 等待校准寄存器初始化完成
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_x));

// ADC开始校准
ADC_StartCalibration(ADC_x);
// 等待校准完成
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC_x));

// 由于没有采用外部触发，所以使用软件触发ADC转换
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_x, ENABLE);
}

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主函数初始化，循环读取ADC多通道的值

/**
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
int main(void)
{
// 配置串口
USART_Config();

// ADC 初始化
ADCx_Init();

printf("\r\n ----这是一个ADC多通道采集实验----\r\n");

while (1)
{

ADC_ConvertedValueLocal[0] =(float) ADC_ConvertedValue[0]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[1] =(float) ADC_ConvertedValue[1]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[2] =(float) ADC_ConvertedValue[2]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[3] =(float) ADC_ConvertedValue[3]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[4] =(float) ADC_ConvertedValue[4]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[5] =(float) ADC_ConvertedValue[5]/4096*3.3;

printf("\r\n CH0 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[0]);
printf("\r\n CH1 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[1]);
printf("\r\n CH2 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[2]);
printf("\r\n CH3 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[3]);
printf("\r\n CH4 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[4]);
printf("\r\n CH5 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[5]);

printf("\r\n\r\n");
Delay(0xffffee);
}
}

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5.3 HAL库
与标准库大差不差
__IO uint16_t ADC_ConvertedValue[NOFCHANEL]={0,0,0,0};
DMA_HandleTypeDef hdma_adcx;
ADC_HandleTypeDef ADC_Handle;
ADC_ChannelConfTypeDef ADC_Config;

static void Rheostat_ADC_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

RHEOSTAT_ADC_CLK_ENABLE();
// 使能 GPIO 时钟
RHEOSTAT_ADC_GPIO_CLK_ENABLE();

// 配置 IO
GPIO_InitStructure.Pin =ADC_PIN1|
                        ADC_PIN2|
                        ADC_PIN3|
                        ADC_PIN4|
                        ADC_PIN5|
                        ADC_PIN6;
GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL ; //不上拉不下拉
HAL_GPIO_Init(RHEOSTAT_ADC_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

static void Rheostat_ADC_Mode_Config(void)
{
// ------------------DMA Init 结构体参数初始化--------------------------
// 开启DMA时钟
RHEOSTAT_ADC_DMA_CLK_ENABLE();
// 数据传输通道
hdma_adcx.Instance = RHEOSTAT_ADC_DMA_STREAM;

hdma_adcx.Init.Direction=DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
//存储器到外设
hdma_adcx.Init.PeriphInc=DMA_PINC_DISABLE;
//外设非增量模式
hdma_adcx.Init.MemInc=DMA_MINC_ENABLE;
//存储器增量模式
hdma_adcx.Init.PeriphDataAlignment=DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
//外设数据长度:16位
hdma_adcx.Init.MemDataAlignment=DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
//存储器数据长度:16位
hdma_adcx.Init.Mode= DMA_CIRCULAR;
//外设普通模式
hdma_adcx.Init.Priority=DMA_PRIORITY_MEDIUM;
//中等优先级

HAL_DMA_Init(&hdma_adcx);

__HAL_LINKDMA( &ADC_Handle,DMA_Handle,hdma_adcx);

//---------------------------------------------------------------------------
RCC_PeriphCLKInitTypeDef ADC_CLKInit;
// 开启ADC时钟
ADC_CLKInit.PeriphClockSelection=RCC_PERIPHCLK_ADC;
//ADC外设时钟
ADC_CLKInit.AdcClockSelection=RCC_ADCPCLK2_DIV6;
//分频因子6时钟为72M/6=12MHz
HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&ADC_CLKInit);
  //设置ADC时钟

ADC_Handle.Instance=RHEOSTAT_ADC;
ADC_Handle.Init.DataAlign=ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  //右对齐
ADC_Handle.Init.ScanConvMode=ENABLE;
  //非扫描模式
ADC_Handle.Init.ContinuousConvMode=ENABLE;
//连续转换
ADC_Handle.Init.NbrOfConversion=NOFCHANEL ;
//1个转换在规则序列中也就是只转换规则序列1
ADC_Handle.Init.DiscontinuousConvMode=DISABLE;
  //禁止不连续采样模式
ADC_Handle.Init.NbrOfDiscConversion=0;
  //不连续采样通道数为0
ADC_Handle.Init.ExternalTrigConv=ADC_SOFTWARE_START;
//软件触发
HAL_ADC_Init(&ADC_Handle);
//初始化

//---------------------------------------------------------------------------
ADC_Config.Channel    = ADC_CHANNEL1;
ADC_Config.Rank       = 1;

// 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);

//---------------------------------------------------------------------------
ADC_Config.Channel    = ADC_CHANNEL2;
ADC_Config.Rank       = 2;
// 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);

//---------------------------------------------------------------------------
ADC_Config.Channel    = ADC_CHANNEL3;
ADC_Config.Rank       = 3;
// 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);
//---------------------------------------------------------------------------
ADC_Config.Channel    = ADC_CHANNEL4;
ADC_Config.Rank       = 4;
// 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);
//---------------------------------------------------------------------------
ADC_Config.Channel    = ADC_CHANNEL5;
ADC_Config.Rank       = 5;
// 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);
//---------------------------------------------------------------------------
ADC_Config.Channel    = ADC_CHANNEL6;
ADC_Config.Rank       = 6;
// 配置 ADC 通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为3个时钟周期
HAL_ADC_ConfigChannel(&ADC_Handle, &ADC_Config);
HAL_ADC_Start_DMA(&ADC_Handle, (uint32_t*)&ADC_ConvertedValue, 5);
}

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主函数初始化，循环读取ADC多通道的值
while (1)
{

ADC_ConvertedValueLocal[0] =(float) ADC_ConvertedValue[0]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[1] =(float) ADC_ConvertedValue[1]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[2] =(float) ADC_ConvertedValue[2]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[3] =(float) ADC_ConvertedValue[3]/4096*3.3;
ADC_ConvertedValueLocal[4] =(float) ADC_ConvertedValue[4]/4096*3.3;

printf("\r\n CH0 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[0]);
printf("\r\n CH1 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[1]);
printf("\r\n CH2 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[2]);
printf("\r\n CH3 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[3]);
printf("\r\n CH4 value = %f V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal[4]);

Delay(0xffffee);
printf("\r\n\r\n");

}