STM32模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)介紹

STM32F4xx系列提供的12位ADC是逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有多達(dá) 19 個(gè)復(fù)用通道，可測量來自 16 個(gè)外部源、兩個(gè)內(nèi)部源和 V BAT 通道的信號。這些通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可在單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)采樣模式下進(jìn)行。ADC 的結(jié)果存儲(chǔ)在一個(gè)左對齊或右對齊的 16 位數(shù)據(jù)寄存器中。

ADC 具有模擬看門狗特性，允許應(yīng)用檢測輸入電壓是否超過了用戶自定義的閾值上限或下限。

單個(gè)ADC框圖

ADC 引腳

ADC開關(guān)控制

可通過將ADC_CR2寄存器中的 ADON 位置1來為 ADC 供電。首次將 ADON 位置1時(shí)，會(huì)將ADC從掉電模式中喚醒。

SWSTART 或 JSWSTART 位置 1 時(shí)，啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換。

可通過將 ADON 位清零來停止轉(zhuǎn)換并使 ADC 進(jìn)入掉電模式。在此模式式下，ADC 幾乎不耗電（只有幾 μA）。

ADC時(shí)鐘

ADC 具有兩個(gè)時(shí)鐘方案：

● 用于模擬電路的時(shí)鐘：ADCCLK，所有 ADC 共用

此時(shí)鐘來自于經(jīng)可編程預(yù)分頻器分頻的 APB2 時(shí)鐘，該預(yù)分頻器允許 ADC 在 f PCLK2 /2、/4、/6 或 /8 下工作。有關(guān) ADCCLK 的最大值，請參見數(shù)據(jù)手冊。

● 用于數(shù)字接口的時(shí)鐘（用于寄存器讀/寫訪問）

此時(shí)鐘等效于 APB2 時(shí)鐘?？梢酝ㄟ^ RCC APB2 外設(shè)時(shí)鐘使能寄存器 (RCC_APB2ENR)分別為每個(gè) ADC 使能/禁止數(shù)字接口時(shí)鐘。

通道選擇

有 16 條復(fù)用通道?？梢詫⑥D(zhuǎn)換分為兩組：規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換。每個(gè)組包含一個(gè)轉(zhuǎn)換序列，該序列可按任意順序在任意通道上完成。例如，可按以下順序?qū)π蛄羞M(jìn)行轉(zhuǎn)換：ADC_IN3、ADC_IN8、ADC_IN2、ADC_IN2、ADC_IN0、ADC_IN2、ADC_IN2、ADC_IN15。

● 一個(gè)規(guī)則轉(zhuǎn)換組最多由 16 個(gè)轉(zhuǎn)換構(gòu)成。必須在 ADC_SQRx 寄存器中選擇轉(zhuǎn)換序列的規(guī)則通道及其順序。規(guī)則轉(zhuǎn)換組中的轉(zhuǎn)換總數(shù)必須寫入 ADC_SQR1 寄存器中的 L[3:0] 位。

● 一個(gè)注入轉(zhuǎn)換組最多由 4 個(gè)轉(zhuǎn)換構(gòu)成。必須在 ADC_JSQR 寄存器中選擇轉(zhuǎn)換序列的注入通道及其順序。注入轉(zhuǎn)換組中的轉(zhuǎn)換總數(shù)必須寫入 ADC_JSQR 寄存器中的 L[1:0] 位。

如果在轉(zhuǎn)換期間修改 ADC_SQRx 或 ADC_JSQR 寄存器，將復(fù)位當(dāng)前轉(zhuǎn)換并向 ADC 發(fā)送一個(gè)新的啟動(dòng)脈沖，以轉(zhuǎn)換新選擇的組。

溫度傳感器、V REFINT 和 V BAT 內(nèi)部通道

● 對于 STM32F40x 和 STM32F41x 器件，溫度傳感器內(nèi)部連接到通道 ADC1_IN16。

內(nèi)部參考電壓 VREFINT 連接到 ADC1_IN17。

● 對于 STM23F42x 和 STM32F43x 器件，溫度傳感器內(nèi)部連接到與 VBAT 共用的通道

ADC1_IN18。一次只能選擇一個(gè)轉(zhuǎn)換（溫度傳感器或 VBAT）。同時(shí)設(shè)置了溫度傳感器和 VBAT 轉(zhuǎn)換時(shí)，將只進(jìn)行 VBAT 轉(zhuǎn)換。

內(nèi)部參考電壓 VREFINT 連接到 ADC1_IN17。

VBAT通道連接到通道ADC1_IN18。該通道也可轉(zhuǎn)換為注入通道或規(guī)則通道。

單次轉(zhuǎn)換模式

在單次轉(zhuǎn)換模式下， ADC 執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換 。CONT 位為 0 時(shí)，可通過以下方式啟動(dòng)此模式：

● 將 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTART 位置 1（僅適用于規(guī)則通道）

● 將 JSWSTART 位置 1（適用于注入通道）

● 外部觸發(fā)（適用于規(guī)則通道或注入通道）

完成所選通道的轉(zhuǎn)換之后：

● 如果轉(zhuǎn)換了規(guī)則通道：

— 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 16 位 ADC_DR 寄存器中

— EOC（轉(zhuǎn)換結(jié)束）標(biāo)志置 1

— EOCIE 位置 1 時(shí)將產(chǎn)生中斷

● 如果轉(zhuǎn)換了注入通道：

— 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 16 位 ADC_JDR1 寄存器中

— JEOC（注入轉(zhuǎn)換結(jié)束）標(biāo)志置 1

— JEOCIE 位置 1 時(shí)將產(chǎn)生中斷

然后，ADC 停止。

連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下， ADC 結(jié)束一個(gè)轉(zhuǎn)換后立即啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換 。CONT 位為 1 時(shí)，可通過外部觸發(fā)或?qū)?ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 來啟動(dòng)此模式（僅適用于規(guī)則通道）。

每次轉(zhuǎn)換之后：

● 如果轉(zhuǎn)換了規(guī)則通道組：

— 上次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 16 位 ADC_DR 寄存器中

— EOC（轉(zhuǎn)換結(jié)束）標(biāo)志置 1

— EOCIE 位置 1 時(shí)將產(chǎn)生中斷

時(shí)序圖

ADC 在開始精確轉(zhuǎn)換之前需要一段穩(wěn)定時(shí)間 t STAB 。ADC 開始轉(zhuǎn)換并經(jīng)過 15 個(gè)時(shí)鐘周期后，EOC 標(biāo)志置 1，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在 16 位 ADC 數(shù)據(jù)寄存器中。

掃描模式

此模式用于掃描一組模擬通道。

通過將 ADC_CR1 寄存器中的 SCAN 位置 1 來選擇掃描模式。將此位置 1 后，ADC 會(huì)掃描在 ADC_SQRx 寄存器（對于規(guī)則通道）或 ADC_JSQR 寄存器（對于注入通道）中選擇的所有通道。為組中的每個(gè)通道都執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換該組中的下一個(gè)通道。如果將 CONT 位置 1，規(guī)則通道轉(zhuǎn)換不會(huì)在組中最后一個(gè)所選通道處停止，而是再次從第一個(gè)所選通道繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

如果將 DMA 位置 1，則在每次規(guī)則通道轉(zhuǎn)換之后，均使用直接存儲(chǔ)器訪問 (DMA) 控制器將轉(zhuǎn)換自規(guī)則通道組的數(shù)據(jù)（存儲(chǔ)在 ADC_DR 寄存器中）傳輸?shù)?SRAM。在以下情況下，ADC_SR 寄存器中的 EOC 位置 1：

● 如果 EOCS 位清零，在每個(gè)規(guī)則組序列轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)

● 如果 EOCS 位置 1，在每個(gè)規(guī)則通道轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)

從注入通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)始終存儲(chǔ)在 ADC_JDRx 寄存器中。

數(shù)據(jù)對齊

由于STM32的ADC是12位的，結(jié)果存儲(chǔ)在16位的數(shù)據(jù)寄存器中，有4位用不到，所以ADC存在左對齊或右對齊的方式。為方便讀數(shù)，一般都選擇右對齊。

可獨(dú)立設(shè)置各通道采樣時(shí)間

ADC 會(huì)在數(shù)個(gè) ADCCLK 周期內(nèi)對輸入電壓進(jìn)行采樣，可使用 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2寄存器中的 SMP[2:0] 位修改周期數(shù)。每個(gè)通道均可以使用不同的采樣時(shí)間進(jìn)行采樣。

總轉(zhuǎn)換時(shí)間的計(jì)算公式如下：

T conv = 采樣時(shí)間 + 12 個(gè)周期

快速轉(zhuǎn)換模式

可通過降低 ADC 分辨率來執(zhí)行快速轉(zhuǎn)換。RES 位用于選擇數(shù)據(jù)寄存器中可用的位數(shù)。每種分辨率的最小轉(zhuǎn)換時(shí)間如下：

● 12 位：3 + 12 = 15 ADCCLK 周期

● 10 位：3 + 10 = 13 ADCCLK 周期

● 8 位：3 + 8 = 11 ADCCLK 周期

● 6 位：3 + 6 = 9 ADCCLK 周期

溫度傳感器和VRENFINT通道框圖

要使用傳感器，請執(zhí)行以下操作：

1. 選擇 ADC1_IN16 或 ADC1_IN18 輸入通道。
2. 選擇一個(gè)采樣時(shí)間，該采樣時(shí)間要大于數(shù)據(jù)手冊中所指定的最低采樣時(shí)間。
3. 在 ADC_CCR 寄存器中將 TSVREFE 位置 1，以便將溫度傳感器從掉電模式中喚醒。
4. 通過將 SWSTART 位置 1（或通過外部觸發(fā)）開始 ADC 轉(zhuǎn)換
5. 讀取 ADC 數(shù)據(jù)寄存器中生成的 V SENSE 數(shù)據(jù)
6. 使用以下公式計(jì)算溫度：

溫度（單位為 °C）= {(V SENSE — V 25 ) / Avg_Slope} + 25

其中：

— V 25 = 25 °C 時(shí)的 V SENSE 值

— Avg_Slope = 溫度與 V SENSE 曲線的平均斜率（以 mV/°C 或 μV/°C 表示）

由于ADC寄存器的相關(guān)配置相對比較簡單，這里直接附上測量溫度相關(guān)的ADC初始化和中斷程序：

void ADC_Init()
{
  u32 prigroup = 0;                          
  u32 priority = 0;        

  RCC- >APB2ENR  |=  1< 8;    //開ADC1時(shí)鐘        

  ADC- >CCR  =  0;
  ADC- >CCR  |=  1< 23;    //使能溫度傳感器和 V REFINT 通道
  ADC- >CCR  |=  1< 16;    //ADCCLK=21mHZ

  ADC1- >CR1  =  0;//分辨率12位

  ADC1- >CR2  =  0;          //數(shù)據(jù)右對齊
  ADC1- >CR2  |=  1< 10;    //通道只要轉(zhuǎn)換結(jié)束，則將EOC置1，使能溢出檢測

  ADC1- >SMPR1  =0;          //通道16采樣時(shí)間3T

  ADC1- >SQR3  |=  16< 0;

  ADC1- >CR1  |=  1< 5;          //使能EOC中斷
  ADC1- >SR  &=~  (1< 1);        //清中斷標(biāo)記33
  prigroup = NVIC_GetPriorityGrouping();        //得到優(yōu)先級分組
  priority = NVIC_EncodePriority(prigroup,1,2);  //優(yōu)先級編碼
  NVIC_SetPriority(ADC_IRQn,priority);        //設(shè)置中斷優(yōu)先級
  NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn);                  //使能ADC中斷

  ADC1- >CR2  |=  1< 0;      //使能ADC
  Delay_us(3);
  ADC1- >CR2  |=  1< 30;  //啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換
}


u16 ADC1_Value={0};      //定義二維數(shù)組，按行存入三個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)束
u8 ADC1_OK = 0;


//中斷處理函數(shù)
void ADC_IRQHandler()
{
  if(ADC1- >SR  &  (1< 1))
  {      
    ADC1- >SR  &=~  (1< 1);        //寫0，請標(biāo)記
    ADC1_Value = ADC1- >DR;    //按行依次存入各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果
    ADC1_OK  =  1;                //采集完成結(jié)束標(biāo)記置1
  }
}

接著編寫主函數(shù)測試

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "stdio.h"
#include "ADC.h"


extern u8 ADC1_OK;
extern u16 ADC1_Value;


int main()
{
  float wendu = 0; 

  NVIC_SetPriorityGrouping(7-2);
  Usart1_Init(115200);
  ADC_Init();


  while(1)
  {
    if(ADC1_OK == 1)
    {
      ADC1- >SR  &=~ (1< 1);      //清中斷標(biāo)記
      ADC1_OK = 0;
      wendu = 3.3*ADC1_Value/4095;        //求溫度數(shù)字值對應(yīng)的模擬電壓值
      wendu = (wendu -0.76)*1000/2.5+25;    //計(jì)算溫度值

      printf("溫度AD值：%drnwendu = %.lf°Crn",ADC1_Value,wendu);
      ADC1- >CR2  |=  1< 0;        //再次開啟ADC1
      Delay_us(3);
      ADC1- >CR2  |=  1< 30;      //觸發(fā)一次轉(zhuǎn)換
    }
    Delay_ms(1000);
  }
}

從串口可以看到ADC讀取的溫度值，ADC溫度測量成功。

對于電池電壓或者其他外部模擬量的測量，配置方法與溫度測量類似，這里不再贅述。如果想要讓CPU更多地用于算法或者其他功能的處理，同樣可以配置DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。