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第二十二章 ADC实验 本章我们将向大家介绍STM32的ADC功能。在本章中，我们将使用STM32的ADC1通道0来采样外部电压值，并在TFTLCD模块上显示出来。本章将分为如下几个部分： 22.1 STM32 ADC简介 22.2 硬件设计 22.3 软件设计 22.4 下载验证 22.1 STM32 ADC简介 STM32拥有1~3个ADC（STM32F101/102系列只有1个ADC），这些ADC可以独立使用，也可以使用双重模式（提高采样率）。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有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。 STM32F103系列最少都拥有2个ADC，我们选择的STM32F103ZET包含有3个ADC。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。 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》第155页，第11章。 STM32的ADC可以进行很多种不同的转换模式，这些模式在《STM32参考手册》的第11章也都有详细介绍，我们这里就不在一一列举了。我们本章仅介绍如何使用规则通道的单次转换模式。 STM32的ADC在单次转换模式下，只执行一次转换，该模式可以通过ADC_CR2寄存器的ADON位（只适用于规则通道）启动，也可以通过外部触发启动（适用于规则通道和注入通道），这是CONT位为0。 以规则通道为例，一旦所选择的通道转换完成，转换结果将被存在ADC_DR寄存器中，EOC（转换结束）标志将被置位，如果设置了EOCIE，则会产生中断。然后ADC将停止，直到下次启动。 接下来，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22.1.1所示：
图22.1.1 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》第11章的相关章节。 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22.1.2所示：
图22.1.2 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22.1.3所示：
图22.1.3 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：ADCON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。ALIGN用于设置数据对齐，我们使用右对齐，该位设置为0。 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22.1.4所示：
图22.1.4 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下一节介绍。 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22.1.5所示：
图22.1.5 ADC_SMPR1寄存器各位描述 ADC_SMPR2的各位描述如下图22.1.6所示：
图22.1.6 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。 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22.1.7所示：
图22.1.7 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22.1.8：
图22.1.8 ADC_ JDRx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22.1.9所示：
图22.1.9 ADC_ SR寄存器各位描述 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。 通过以上介绍，我们了解了STM32的单次转换模式下的相关设置，本章我们使用ADC1的通道1来进行AD转换，其详细设置步骤如下： 1）开启PA口时钟，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，然后设置PA1为模拟输入。 2）使能ADC1时钟，并设置分频因子。 要使用ADC1，第一步就是要使能ADC1的时钟，在使能完时钟之后，进行一次ADC1的复位。接着我们就可以通过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。 3）设置ADC1的工作模式。 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。 4）设置ADC1规则序列的相关信息。 接下来我们要设置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，然后设置通道1的采样周期。 5）开启AD转换器，并校准。 在设置完了以上信息后，我们就开启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。 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，然后启动ADC转换。在转换结束后，读取ADC1_DR里面的值就是了。 这里还需要说明一下ADC的参考电压，战舰STM32开发板使用的是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。 22.2硬件设计 本实验用到的硬件资源有： 1） 指示灯DS0 2） TFTLCD模块 3） ADC 4） 杜邦线 前面2个均已介绍过，而ADC属于STM32内部资源，实际上我们只需要软件设置就可以正常工作，不过我们需要在外部连接其端口到被测电压上面。本章，我们通过ADC1的通道1（PA1）来读取外部电压值，战舰STM32开发板没有设计参考电压源在上面，但是板上有几个可以提供测试的地方：1，3.3V电源。2，GND。3，后备电池。注意：这里不能接到板上5V电源上去测试，这可能会烧坏ADC!。 因为要连接到其他地方测试电压，所以我们需要1跟杜邦线，或者自备的连接线也可以，一头插在多功能端口P14的ADC插针上（与PA1连接），另外一头就接你要测试的电压点（确保该电压不大于3.3V即可）。 22.3 软件设计 找到上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个ADC的文件夹。然后打开USER文件夹下的工程，新建一个adc.c的文件和adc.h的头文件，保存在ADC文件夹下，并将ADC文件夹加入头文件包含路径。 打开adc.c，输入如下代码： #include "adc.h" #include "delay.h" //初始化ADC //这里我们仅以规则通道为例 //我们默认仅开启通道1 void Adc_Init(void) { //先初始化IO口 RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA口时钟 GPIOA->CRL&=0XFFFFFF0F;//PA1 anolog输入 //通道10/11设置 RCC->APB2ENR|=1<<9; //ADC1时钟使能 RCC->APB2RSTR|=1<<9; //ADC1复位 RCC->APB2RSTR&=~(1<<9);//复位结束 RCC->CFGR&=~(3<<14); //分频因子清零 //SYSCLK/DIV2=12M ADC时钟设置为12M,ADC最大时钟不能超过14M! //否则将导致ADC准确度下降! RCC->CFGR|=2<<14; ADC1->CR1&=0XF0FFFF; //工作模式清零 ADC1->CR1|=0<<16; //独立工作模式 ADC1->CR1&=~(1<<8); //非扫描模式 ADC1->CR2&=~(1<<1); //单次转换模式 ADC1->CR2&=~(7<<17); ADC1->CR2|=7<<17; //软件控制转换 ADC1->CR2|=1<<20; //使用用外部触发(SWSTART)!!! 必须使用一个事件来触发 ADC1->CR2&=~(1<<11); //右对齐 ADC1->SQR1&=~(0XF<<20); ADC1->SQR1|=0<<20; //1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1 //设置通道1的采样时间 ADC1->SMPR2&=~(7<<3); //通道1采样时间清空 ADC1->SMPR2|=7<<3; //通道1 239.5周期,提高采样时间可以提高精确度 ADC1->CR2|=1<<0; //开启AD转换器 ADC1->CR2|=1<<3; //使能复位校准 while(ADC1->CR2&1<<3); //等待校准结束 //该位由软件设置并由硬件清除。在校准寄存器被初始化后该位将被清除。 ADC1->CR2|=1<<2; //开启AD校准 while(ADC1->CR2&1<<2); //等待校准结束 //该位由软件设置以开始校准，并在校准结束时由硬件清除 } //获得ADC值 //ch:通道值 0~16 //返回值:转换结果 u16 Get_Adc(u8 ch) { //设置转换序列 ADC1->SQR3&=0XFFFFFFE0;//规则序列1 通道ch ADC1->SQR3|=ch; ADC1->CR2|=1<<22; //启动规则转换通道 while(!(ADC1->SR&1<<1));//等待转换结束 return ADC1->DR; //返回adc值 } //获取通道ch的转换值，取times次,然后平均 //ch:通道编号 //times:获取次数 //返回值:通道ch的times次转换结果平均值 u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times) { u32 temp_val=0; u8 t; for(t=0;t<times;t++) { temp_val+=Get_Adc(ch); delay_ms(5); } return temp_val/times; } 此部分代码就3个函数，Adc_Init函数用于初始化ADC1。这里基本上是按我们上面的步骤来初始化的，我们仅开通了1个通道，即通道1。第二个函数Get_Adc，用于读取某个通道的ADC值，例如我们读取通道1上的ADC值，就可以通过Get_Adc（1）得到。最后一个函数Get_Adc_Average，用于多次获取ADC值，取平均，用来提高准确度。 保存adc.c代码，并将该代码加入HARDWARE组下。接下来在adc.h文件里面输入如下代码： #ifndef __ADC_H #define __ADC_H #include "sys.h" #define ADC_CH1 1 //通道1 void Adc_Init(void); //ADC通道初始化 u16 Get_Adc(u8 ch); //获得某个通道值 u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times);//得到某个通道10次采样的平均值 #endif
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