STM32 系列 ADC校準問題說明

前言

最近是有一個產(chǎn)品用到了ADC，使用的是STM32L051 芯片，使用 STM32CubeMX 生成的代碼，本來以為簡簡單單，但是在調(diào)用 HAL ADC校準函數(shù)的時候遇到一個問題有點疑問，度娘一下也沒有找到解答，還是經(jīng)過翻閱了一些資料才得到答案，特此來記錄一下。

我是矜辰所致，全網(wǎng)同名，盡量用心寫好每一系列文章，不浮夸，不將就，認真對待學知識的我們，矜辰所致，金石為開！

一、ADC 配置說明

詳細的 STM32 ADC 的使用，本文不做過多說明，這個網(wǎng)上一搜一大把。

本文使用的是 HAL 庫，直接用 STM32CubeMX 生成的代碼，ADC 的配置步驟在我的另外一篇博文：

[STM32L051測試 （一、使用CubeMX生成工程文件 — ST系列芯片通用）] 中有過介紹（發(fā)燒友小伙伴需我還沒發(fā)表過來）：

對于其他不同型號，F(xiàn)1，F(xiàn)4 等，配置大同小異。

1.1 ADC 采樣步驟

使用 CubeMX 可以大大簡化工程師的使用步驟，這里直接說明一下對于使用 CubeMX 來說的 ADC 采樣步驟。

ADC 采樣使用步驟簡單來說如下幾步（以單次采樣為例說明） ：

1. 配置 ADC 工作參數(shù)：包括基本配置，和通道相關參數(shù)；

   （STM32BubeMX 自動生成代碼 MX_ADC_Init()）

2. ADC_MSP 初始化：包括初始化 ADC 的時鐘、GPIO 引腳、 DMA 和 NVIC 相關的設置；（STM32BubeMX 自動生成代碼HAL_ADC_MspInit()）

3. 校準！使用前務必校準！；

   （大部分型號需要我們在程序中自己調(diào)用代碼，某些型號不需要校準，后面會說明HAL_ADCEx_Calibration_Start()）

4. 啟動 ADC 轉(zhuǎn)換；

   （我們在程序中自己寫代碼，調(diào)用庫函數(shù)HAL_ADC_Start()）

5. 等待轉(zhuǎn)換完成；

   （我們在程序中自己寫代碼，調(diào)用庫函數(shù)HAL_ADC_PollForConversion()）

6. 獲取結果；

   （我們在程序中自己寫代碼，調(diào)用庫函數(shù)HAL_ADC_GetValue()）

二、ADC 校準

在上面的步驟中，我把校準用了紅色字體強調(diào)說明，因為在 ADC 的使用中必須進行校準 ，否者自己設計的電路得到的結果可能與實際的會有不同的偏差。

2.1 什么是ADC校準？

STM32 的 ADC 校準一般有 參考電壓校準 和 增益校準。

參考電壓校準：

先測量 ADC 參考電壓的實際值，然后將該值與預設的參考電壓進行比較，得到參考電壓的偏差，最終通過校準將其校正的方式叫做 參考電壓校準 ，其目的是為了準確測量 ADC 的輸入信號。

叫做增益校準:

通過測量內(nèi)部基準電壓和 ADC 輸入信號的幅值之間的比例關系，校準 ADC 增益的方式 叫做增益校準，其目的是確保 ADC 輸出的數(shù)值與輸入信號的幅值之間具有良好的線性關系，為了準確的轉(zhuǎn)換 ADC 輸入信號。

ADC 校準的目的是為了消除 ADC 的偏移誤差和增益誤差，從而提高測量精度。

2.2 為什么 ADC 使用需要校準？

這個為什么要用 ADC 校準，我這里也只能簡單的說明一下。

這個就像芯片生產(chǎn)過程制造中的差異化一樣，ADC部分也存在一些差異化（雖然很?。?，其參考電壓、偏置電壓、增益等參數(shù)可能存在一些不確定性和漂移，這些參數(shù)的變化會導致 ADC 的測量結果產(chǎn)生誤差。

就想上面介紹什么是 ADC 校準最后說的，為了提高測量精度，消除 ADC 的偏移誤差和增益誤差，所以在使用 ADC 采樣的時候都需要進行 ADC 校準。

2.2 什么時候使用 ADC 校準？

在我們使用 CubeMX 軟件的時候，ADC 的配置，初始化等大部分程序都是由軟件給我們生成的，我們都無需過多干預，但是校準是不會給我們自動加入程序的，這就需要我們 手動的添加。

在程序中，我們只需要保證在 ADC 開始使用前（ADC 轉(zhuǎn)換函數(shù)調(diào)用前），ADC 初始化后，進行校準即可。

2.3 ADC 采樣每次都需要校準嗎？

這個問題并不能直接回答，我們先來了解一下 調(diào)用了 HAL 校準函數(shù)以后，STM32 是怎么處理的。

調(diào)用 STM32 校準函數(shù)以后， 校準的結果會被保存在相應的寄存器中，以供后續(xù)的ADC測量使用。

由上面這句話可以知道，校準過后的結果會被保存起來，每次 ADC 使用的時候會從該寄存器中取校準數(shù)值，所以說一般來說，只要你上電校準過一次，就行了。

但是！注意，校準過后不用再校準是基于你的 ADC 設置沒有改變，產(chǎn)品的工作環(huán)境穩(wěn)定的前提下！

如果采樣過程中你改變了 ADC 的環(huán)境，比如參考電壓，采樣時間等一些配置，或者一些低功耗產(chǎn)品，需要進行休眠，那么還是需要進行再次校準的。

還有一點，就是產(chǎn)品的工作環(huán)境，比如產(chǎn)品的環(huán)境比較惡劣，溫度啊，干擾啊之類的，那么還是有必要在 ADC 的使用過程中進行定期校準的。

當然，如果我們本著嚴謹?shù)淖黠L，在產(chǎn)品上直接使用定期校準那也是沒問題的。

三、HAL 庫校準函數(shù)

上面理論的東西介紹完了，那么我們就來簡單做個測試，其實我使用過程中的小疑問也是在使用過程中遇到的。

我們都知道 ADC 的校準函數(shù)為：HAL_ADCEx_Calibration_Start()

但是當我使用這個函數(shù)時候，居然出錯了，如下圖：

提示調(diào)用的參數(shù)太少了（確定出錯是我編譯過后發(fā)現(xiàn)的），提示函數(shù)調(diào)用參數(shù)太少了，這就奇怪了，于是我進入看看函數(shù)原型：

這里可以看到，怎么多了一個參數(shù)（上面確實有解釋說明，應該填寫什么），但是當時我第一反應是看一下這個參數(shù)在函數(shù)中是怎么用的，于是搜索了一下SingleDiff 這個參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在HAL_ADCEx_Calibration_Start 這個函數(shù)中根本沒用到這個參數(shù)？

為了搞清楚，我還去度娘問了下，發(fā)現(xiàn)根本沒有關于這個參數(shù)的說明，所有的 STM32 ADC 有關的帖子文章，都是一樣的， ADC 是啥啥啥，什么模式，解釋一下，怎么用等等巴拉巴拉的……

3.1 單端校準和差分校準

其實上面的注釋說明就是，這個參數(shù)就是用來選擇使用哪種校準方式：單端校準ADC_SINGLE_ENDED 和 差分校準ADC_DIFFERENTIAL_ENDED。

后來就去翻閱手冊資料，下面是查到的說明，這里給大家參考一下：

單端校準：

單端校準是指對 ADC 的單個輸入通道進行校準，主要校準項包括偏移誤差和增益誤差。

單端校準主要針對單端輸入的情況，通過比較參考電壓和輸入信號之間的誤差，校準ADC的增益和偏置電壓。在單端輸入的情況下，參考電壓和輸入信號之間存在可能的偏差，這會導致ADC采樣結果的偏移和誤差。為了解決這個問題，可以使用單端校準來校正 ADC 的增益和偏置電壓。單端校準的過程是使用一個已知的模擬信號來輸入 ADC，然后比較采樣結果與該模擬信號的期望值，得到增益和偏置電壓的偏差值，然后通過校準將其校正。

單端校準時，ADC將使用內(nèi)部參考電壓作為參考電壓，對每個輸入通道進行測量，計算出偏移誤差和增益誤差，并將這些誤差保存在相應的寄存器中。

差分校準：

差分校準是指對 ADC 的差分輸入通道進行校準，主要校準項也包括偏移誤差和增益誤差。

差分校準主要針對差分輸入的情況，通過比較參考電壓和輸入信號之間的誤差，校準 ADC 的差分增益和偏置電壓。在差分輸入的情況下，差分增益和偏置電壓的偏差也會導致 ADC 采樣結果的偏移和誤差。為了解決這個問題，可以使用差分校準來校正 ADC 的差分增益和偏置電壓。差分校準的過程是使用一個已知的差分輸入信號來輸入 ADC，然后比較采樣結果與該差分輸入信號的期望值，得到差分增益和偏置電壓的偏差值，然后通過校準將其校正。

差分校準時，ADC 將使用內(nèi)部參考電壓作為參考電壓，并將兩個輸入通道的差值作為輸入信號進行測量，計算出偏移誤差和增益誤差，并將這些誤差保存在相應的寄存器中。

3.2 不同系列的校準函數(shù)

所以在我們使用不同的系列的 HAL 庫的時候，雖然校準函數(shù)都是HAL_ADCEx_Calibration_Start ，但是也有著一些參數(shù)的區(qū)別。

對于我目前使用的 STM32L051 來說，HAL校準函數(shù)使用的示例如下：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1,ADC_SINGLE_ENDED);

大部分情況下直接選擇單端校準ADC_SINGLE_ENDED就行了，差分校準還需要外部電路的支持。

對于 STM32F 系列的來說，HAL校準函數(shù)使用的示例如下：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

......

3.3 更多的校準模式

對于更多的系列，因為自己目前沒有用到，我也沒有一個一個去找，但是通過資料了解到，對于有些型號，比如 STM32F4 系列的，ADC的校準由硬件自動執(zhí)行，不需要額外的調(diào)用 ADC 校準函數(shù)。

雖然我沒有去試，但是這個硬件自動執(zhí)行校準在 STM32CubeMX 中應該可以選擇，因為他需要使能，在程序中的體現(xiàn)為：

hadc1.Init.AutoCalibration = ENABLE;

而且在 STM32 系列中，還有支持額外校準模式（共模校準、差分共模校準）的MCU，具體哪個我也不知道，這樣的MCU，在使用校準函數(shù)HAL_ADCEx_Calibration_Start的時候又多一個參數(shù)。但是這里可以告訴大家在遇到的時候不要慌張，這里給出示例。

共模校準：

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

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

差分共模校準：

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

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

上面的 ADC_CALIB_OFFSET 是指定進行偏置校準。

結語

好了，本文是自己在使用過程中遇到的一個小問題，但確實直接度娘找不到我需要的答案，所以自己花費了些功夫查了一下，當然也記錄說明一下，希望對大家能夠有幫助！

插一句題外話，我已經(jīng)停了幾個月沒寫博文了，我也發(fā)過 Blink 告訴大家我最近狀態(tài)很差，現(xiàn)實事情太多了，到現(xiàn)在為止，我還是深受影響，但是我自己也知道不能繼續(xù)沉淪下去，人往高處走，總是要向前看的，這也是受打擊過后的第一篇博文，找找感覺，加油！

好了，本文就到這里，謝謝大家！
審核編輯：湯梓紅