 第二十三章 ADC实验
1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板2.软件平台：MDK5.13.固件库版本：V1.4.0
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第二十三章 ADC实验-STM32F4开发指南-正点原子探索者STM32开发板.pdf
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本章我们将向大家介绍STM32F4的ADC功能。在本章中，我们将使用STM32F4的ADC1通道5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： 23.1 STM32F4 ADC简介 23.2 硬件设计 23.3 软件设计 23.4 下载验证
23.1 STM32F4 ADC简介STM32F4xx系列一般都有3个ADC，这些ADC可以独立使用，也可以使用双重/三重模式（提高采样率）。STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有19个通道，可测量16个外部源、2个内部源和Vbat通道的信号。这些通道的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。 STM32F407ZGT6包含有3个ADC。STM32F4的ADC最大的转换速率为2.4Mhz，也就是转换时间为1us（在ADCCLK=36M,采样周期为3个ADC时钟下得到），不要让ADC的时钟超过36M，否则将导致结果准确度下降。 STM32F4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。 STM32F4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《STM32F4xx中文参考手册》第250页，第11.3.3节。 STM32F4的ADC可以进行很多种不同的转换模式，这些模式在《STM32F4xx中文参考手册》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。 STM32F4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），这时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23.1.1所示：
图23.1.1 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《STM32F4xx中文参考手册》第11.13.2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[25:24]用于设置ADC的分辨率，详细的对应关系如图23.1.2所示： 图23.1.2 ADC分辨率选择 本章我们使用12位分辨率，所以设置这两个位为0就可以了。接着我们介绍ADC_CR2，该寄存器的各位描述如图23.1.3所示： 图23.1.3 ADC_CR2寄存器各位描述 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。ALIGN用于设置数据对齐，我们使用右对齐，该位设置为0。 EXTEN[1:0]用于规则通道的外部触发使能设置，详细的设置关系如图23.1.4所示： 图23.1.4 ADC规则通道外部触发使能设置 我们这里使用的是软件触发，即不使用外部触发，所以设置这2个位为0即可。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。 第二个要介绍的是ADC通用控制寄存器（ADC_CCR），该寄存器各位描述如图23.1.5所示： 图23.1.5 ADC_CCR寄存器各位描述 该寄存器我们也只针对性的介绍一些位：TSVREFE位是内部温度传感器和Vrefint通道使能位，内部温度传感器我们将在下一章介绍，这里我们直接设置为0。ADCPRE[1:0]用于设置ADC输入时钟分频，00~11分别对应2/4/6/8分频，STM32F4的ADC最大工作频率是36Mhz，而ADC时钟（ADCCLK）来自APB2，APB2频率一般是84Mhz，所以我们一般设置ADCPRE=01，即4分频，这样得到ADCCLK频率为21Mhz。MULTI[4:0]用于多重ADC模式选择，详细的设置关系如图23.1.6所示： 图23.1.6 多重ADC模式选择设置 本章我们仅用了ADC1（独立模式），并没用到多重ADC模式，所以设置这5个位为0即可。 第三个要介绍的是ADC采样时间寄存器（ADC_SMPR1和ADC_SMPR2），这两个寄存器用于设置通道0~18的采样时间，每个通道占用3个位。ADC_SMPR1的各位描述如图23.1.7所示： 图23.1.7 ADC_SMPR1寄存器各位描述 ADC_SMPR2的各位描述如下图23.1.8所示： 图23.1.8 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=21Mhz的时候，并设置3个周期的采样时间，则得到：Tcovn=3+12=15个周期=0.71us。 第四个要介绍的是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23.1.9所示： 图23.1.9 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（0~18）。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，至于SQ1里面哪个通道，完全由用户自己设置，通过ADC_SQR3的最低5位（也就是SQ1）设置。 第五个要介绍的是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23.1.10： 图23.1.10 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23.1.11所示： 图23.1.11 ADC_ SR寄存器各位描述 这里我们仅介绍将要用到的是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，如果该位位1，则表示转换完成了，就可以从ADC_DR中读取转换结果，否则等待转换完成。 至此，本章要用到的ADC相关寄存器全部介绍完毕了，对于未介绍的部分，请大家参考《STM32F4xx中文参考手册》第11章相关章节。通过以上介绍，我们了解了STM32F4的单次转换模式下的相关设置，接下来我们介绍使用库函数来设置ADC1的通道5来进行AD转换的步骤，这里需要说明一下，使用到的库函数分布在stm32f4xx_adc.c文件和stm32f4xx_adc.h文件中。下面讲解其详细设置步骤： 1）开启PA口时钟和ADC1时钟，设置PA5为模拟输入。 STM32F407ZGT6的ADC1通道5在PA5上，所以，我们先要使能GPIOA的时钟，然后设置PA5为模拟输入。同时我们要把PA5复用为ADC，所以我们要使能ADC1时钟。 这里特别要提醒，对于IO口复用为ADC我们要设置模式为模拟输入，而不是复用功能，也不需要调用GPIO_PinAFConfig函数来设置引脚映射关系。 使能GPIOA时钟和ADC1时钟都很简单，具体方法为： RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能ADC1时钟 初始化GPIOA5为模拟输入，方法也多次讲解，关键代码为： GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;//模拟输入 这里需要说明一下，ADC的通道与引脚的对应关系在STM32F4的数据手册可以查到，我们这里使用ADC1的通道5，在数据手册中的表格为： 表23.1.12 ADC1通道5对应引脚查看表 这里我们把ADC1~ADC3的引脚与通道对应关系列出来， 16个外部源的对应关系如下表： 通道号 | ADC1 | ADC2 | ADC3 | 通道0 | PA0 | PA0 | PA0 | 通道1 | PA1 | PA1 | PA1 | 通道2 | PA2 | PA2 | PA2 | 通道3 | PA3 | PA3 | PA3 | 通道4 | PA4 | PA4 | PF6 | 通道5 | PA5 | PA5 | PF7 | 通道6 | PA6 | PA6 | PF8 | 通道7 | PA7 | PA7 | PF9 | 通道8 | PB0 | PB0 | PF10 | 通道9 | PB1 | PB1 | PF3 | 通道10 | PC0 | PC0 | PC0 | 通道11 | PC1 | PC1 | PC1 | 通道12 | PC2 | PC2 | PC2 | 通道13 | PC13 | PC13 | PC13 | 通道14 | PC4 | PC4 | PF4 | 通道15 | PC5 | PC5 | PF5 |
表23.1.13 ADC1~ADC3引脚对应关系表
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