ADC简介

    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，ADC3一般有8个外部通道，各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断执行，ADC转换的结果可以左对齐或右对齐储存在16位数据寄存器中。ADC的输入时钟不得超过14MHz，其时钟频率由PCLK2分频产生。

ADC功能框图讲解

    学习STM32开发板上的外设时首先要了解其外设的功能框图，如下：

! B' l& P* h" Q; S6 I

    功能框图可以大体分为7部分，下面一一讲解：

电压输入范围

    ADC所能测量的电压范围就是VREF- ≤ VIN ≤ VREF+，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。

  r3 Q3 {# D: l6 I: e9 i

输入通道

    ADC的信号输入就是通过通道来实现的，信号通过通道输入到单片机中，单片机经过转换后，将模拟信号输出为数字信号。STM32中的ADC有着18个通道，其中外部的16个通道已经在框图中标出，如下：

3 p4 r7 p; Y' v$ T9 U

    这16个通道对应着不同的IO口，此外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。

6 J) @4 x' v' r8 ~9 ]) X

    ADC的全部通道如下图所示：

; U( m9 Z/ s, D; s  S# Y

    外部的16个通道在转换时又分为规则通道和注入通道，其中规则通道最多有16路，注入通道最多有4路（注入通道貌似使用不多），下面简单介绍一下两种通道：

    规则通道顾名思义就是，最平常的通道、也是最常用的通道，平时的ADC转换都是用规则通道实现的。

    注入通道是相对于规则通道的，注入通道可以在规则通道转换时，强行插入转换，相当于一个“中断通道”吧。当有注入通道需要转换时，规则通道的转换会停止，优先执行注入通道的转换，当注入通道的转换执行完毕后，再回到之前规则通道进行转换。

转换顺序

    知道了ADC的转换通道后，如果ADC只使用一个通道来转换，那就很简单，但如果是使用多个通道进行转换就涉及到一个先后顺序了，毕竟规则转换通道只有一个数据寄存器。多个通道的使用顺序分为俩种情况：规则通道的转换顺序和注入通道的转换顺序。

    规则通道中的转换顺序由三个寄存器控制：SQR1、SQR2、SQR3，它们都是32位寄存器。SQR寄存器控制着转换通道的数目和转换顺序，只要在对应的寄存器位SQx中写入相应的通道，这个通道就是第x个转换。具体的对应关系如下：

3 O0 A; @% i' S: b, }0 _

    通过SQR1寄存器就能了解其转换顺序在寄存器上的实现了：

    和规则通道转换顺序的控制一样，注入通道的转换也是通过注入寄存器来控制，只不过只有一个JSQR寄存器来控制，控制关系如下：

! Q5 o% s0 ]3 g4 N. R5 C3 {% A, w

    需要注意的是，只有当JL=4的时候，注入通道的转换顺序才会按照JSQ1、JSQ2、JSQ3、JSQ4的顺序执行。当JL<4时，注入通道的转换顺序恰恰相反，也就是执行顺序为：JSQ4、JSQ3、JSQ2、JSQ1。

) G4 l/ O3 `/ f: K3 G" n$ ]. Z# e

    配置转换顺序的函数如下代码所示：

1. /**
   
2.   * @brief  Configures for the selected ADC regular channel its corresponding
     ]$ [# ]3 b1 C( C( H3 w
3.   *         rank in the sequencer and its sample time.
   
4.   * @param  ADCx: where x can be 1, 2 or 3 to select the ADC peripheral.
   ) }) `$ H6 W# c& z9 x6 f" r9 I
5.   * @param  ADC_Channel: the ADC channel to configure.
   
6.   *   This parameter can be one of the following values:
   7 \2 F8 W, g: P  h
7.   *     @arg ADC_Channel_0: ADC Channel0 selected
   7 a6 e( Y$ c2 ]- u- I1 |6 P( M
8.   *     @arg ADC_Channel_1: ADC Channel1 selected
   
9.   *     @arg ADC_Channel_2: ADC Channel2 selected
   
10.   *     @arg ADC_Channel_3: ADC Channel3 selected
      k+ h& c! `8 v+ H0 V; m( D8 s
11.   *     @arg ADC_Channel_4: ADC Channel4 selected
    , D! r7 I; i% F4 y4 @( d( O# H
12.   *     @arg ADC_Channel_5: ADC Channel5 selected
    ) F* l/ \0 ~6 V# ?" U0 i
13.   *     @arg ADC_Channel_6: ADC Channel6 selected
    
14.   *     @arg ADC_Channel_7: ADC Channel7 selected
    + @8 Z$ C4 h8 t; k1 {6 R& g7 K# E$ g
15.   *     @arg ADC_Channel_8: ADC Channel8 selected
    " v; a; y9 G, N6 S% Z$ s3 A' q
16.   *     @arg ADC_Channel_9: ADC Channel9 selected
    
17.   *     @arg ADC_Channel_10: ADC Channel10 selected
    
18.   *     @arg ADC_Channel_11: ADC Channel11 selected
    3 z8 e  k& t( R  Q% i
19.   *     @arg ADC_Channel_12: ADC Channel12 selected
    
20.   *     @arg ADC_Channel_13: ADC Channel13 selected
    ) Y; u; m' q7 j" L. l3 S, l- J
21.   *     @arg ADC_Channel_14: ADC Channel14 selected
    7 k6 X, a3 X2 K! k4 P
22.   *     @arg ADC_Channel_15: ADC Channel15 selected
    
23.   *     @arg ADC_Channel_16: ADC Channel16 selected
      u% g6 T. S8 f; i# I
24.   *     @arg ADC_Channel_17: ADC Channel17 selected
    
25.   * @param  Rank: The rank in the regular group sequencer. This parameter must be between 1 to 16.
    
26.   * @param  ADC_SampleTime: The sample time value to be set for the selected channel.
    
27.   *   This parameter can be one of the following values:
    
28.   *     @arg ADC_SampleTime_1Cycles5: Sample time equal to 1.5 cycles
    % |" v; t+ f; r' @2 y1 G8 D8 h
29.   *     @arg ADC_SampleTime_7Cycles5: Sample time equal to 7.5 cycles
    
30.   *     @arg ADC_SampleTime_13Cycles5: Sample time equal to 13.5 cycles
    
31.   *     @arg ADC_SampleTime_28Cycles5: Sample time equal to 28.5 cycles
    8 e% I! |5 {2 ?6 y
32.   *     @arg ADC_SampleTime_41Cycles5: Sample time equal to 41.5 cycles
    
33.   *     @arg ADC_SampleTime_55Cycles5: Sample time equal to 55.5 cycles
    * I  K8 k; E  i( Y' O
34.   *     @arg ADC_SampleTime_71Cycles5: Sample time equal to 71.5 cycles
    # I2 B9 ]1 N4 S  l
35.   *     @arg ADC_SampleTime_239Cycles5: Sample time equal to 239.5 cycles
    2 U) f0 J" T7 |
36.   * @retval None
    
37.   */
    
38. void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)
      R& F* H# a, `! i" p
39. {
    ) D/ h5 Y  P1 y( \
40.   函数内容略;
    
41. }

复制代码

触发源

    ADC转换的输入、通道、转换顺序都已经说明了，但ADC转换是怎么触发的呢？就像通信协议一样，都要规定一个起始信号才能传输信息，ADC也需要一个触发信号来实行模/数转换。

    其一就是通过直接配置寄存器触发，通过配置控制寄存器CR2的ADON位，写1时开始转换，写0时停止转换。在程序运行过程中只要调用库函数，将CR2寄存器的ADON位置1就可以进行转换，比较好理解。

    另外，还可以通过内部定时器或者外部IO触发转换，也就是说可以利用内部时钟让ADC进行周期性的转换，也可以利用外部IO使ADC在需要时转换，具体的触发由控制寄存器CR2决定。

   ADC_CR2寄存器的详情如下：

  P  A: T$ I7 i" @# H

9 o: H( }  k7 |

转换时间

    还有一点，就是转换时间的问题，ADC的每一次信号转换都要时间，这个时间就是转换时间，转换时间由输入时钟和采样周期来决定。

    由于ADC在STM32中是挂载在APB2总线上的，所以ADC的时钟是由PCLK2（72MHz）经过分频得到的，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，一般配置分频因子为8，即8分频得到ADC的输入时钟频率为9MHz。

    采样周期是确立在输入时钟上的，配置采样周期可以确定使用多少个ADC时钟周期来对电压进行采样，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。每个通道可以配置不同的采样周期，但最小的采样周期是1.5个周期，也就是说如果想最快时间采样就设置采样周期为1.5.

转换时间=采样时间+12.5个周期

    12.5个周期是固定的，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，采样周期设置为 1.5 个周期，算出最短的转换时间为 1.17us。

# Z6 I2 z/ r9 T* s* ~4 o  G+ ?7 A

数据寄存器

    转换完成后的数据就存放在数据寄存器中，但数据的存放也分为规则通道转换数据和注入通道转换数据的。

    规则数据寄存器负责存放规则通道转换的数据，通过32位寄存器ADC_DR来存放：

5 F4 Y1 y* A7 e0 {8 I

    当使用ADC独立模式（也就是只使用一个ADC，可以使用多个通道）时，数据存放在低16位中，当使用ADC多模式时高16位存放ADC2的数据。需要注意的是ADC转换的精度是12位，而寄存器中有16个位来存放数据，所以要规定数据存放是左对齐还是右对齐。

    当使用多个通道转换数据时，会产生多个转换数据，然鹅数据寄存器只有一个，多个数据存放在一个寄存器中会覆盖数据导致ADC转换错误，所以我们经常在一个通道转换完成之后就立刻将数据取出来，方便下一个数据存放。一般开启DMA模式将转换的数据，传输在一个数组中，程序对数组读操作就可以得到转换的结果。

    注入通道转换的数据寄存器有4个，由于注入通道最多有4个，所以注入通道转换的数据都有固定的存放位置，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。

中断

6 y4 c- W! D4 L* y; p+ E

   

    从框图中可以知道数据转换完成之后可以产生中断，有三种情况：

• 规则通道数据转换完成之后，可以产生一个中断，可以在中断函数中读取规则数据寄存器的值。这也是单通道时读取数据的一种方法。
• 注入通道数据转换完成之后，可以产生一个中断，并且也可以在中断中读取注入数据寄存器的值，达到读取数据的作用。
• 当输入的模拟量（电压）不再阈值范围内就会产生看门狗事件，就是用来监视输入的模拟量是否正常。
  
  

    以上中断的配置都由ADC_SR寄存器决定：

' X' ~4 _, N# q

0 Q" Y% C9 w" i3 c3 n, i9 \

    当然，在转换完成之后也可以产生DMA请求，从而将转换好的数据从数据寄存器中读取到内存中。

- F8 u0 \& A0 I) @) S

电压转换

    要知道，转换后的数据是一个12位的二进制数，我们需要把这个二进制数代表的模拟量（电压）用数字表示出来。比如测量的电压范围是0~3.3V，转换后的二进制数是x，因为12位ADC在转换时将电压的范围大小（也就是3.3）分为4096（2^12）份，所以转换后的二进制数x代表的真实电压的计算方法就是：

• y=3.3* x / 4096
  

2 K& v" h$ c' r% w3 D' ], R
3 w- q  |/ K1 Y3 c

初始化结构体

    每个外设的核心就是其对应的初始化结构体了，ADC的初始化结构体代码如下：

1. typedef struct
     Z% R8 n/ E: k/ l; C+ @
2. {
   : ?$ s& C! H  w& s2 c
3. uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择
   
4. FunctionalState ADC_ScanConvMode; // ADC 扫描（多通道）或者单次（单通道）模式选择
   / r6 t0 T( ?6 ?) j' Z
5. FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
   
6. uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
   % B- k- t0 `  a8 [' o: d5 \
7. uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
   
8. uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
   ) |. v) R6 b. ~, N2 q+ g2 i7 w
9. } ADC_InitTypeDef;

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    通过配置初始化结构体来设置ADC的相关信息。

单通道电压采集

    用这个程序来简单熟练一下ADC的单通道电压采集吧，程序使用了ADC1的通道11，对应的IO口是PC^1，因为博主的开发板上PC ^1引脚没有任何复用，使用中断，在中断中读取转换的电压。

1 e8 B  a8 j* V

头文件

    为了提高文件的可移植性，头文件中定义了一些与ADC和中断相关的量，在移植程序的时候只需要修改头文件中的定义即可。

1. #ifndef __ADC_H
   
2. #define __ADC_H
   
3. #include "stm32f10x.h"
   
4. /* 采用ADC1的通道11  引脚为PC^1 模式必须是模拟输入*/
   4 q8 o3 N2 m8 T# j
5. #define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC
   
6. #define ADC_GPIO_PORT    GPIOC
   
7. #define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
   9 |' |! a9 N! P/ E
8. #define ADC_GPIO_MODE    GPIO_Mode_AIN  
   ! m5 b- C8 k3 Q
9. /* 配置与中断有关的信息 */
   . ^1 g/ Y4 M8 B5 O8 a; D) \- i
10. #define ADC_IRQn         ADC1_2_IRQn
    
11. #define ADC_RCC          RCC_APB2Periph_ADC1
    
12. /* 配置ADC初始化结构体的宏定义 */
    + X: ~! }1 J4 B5 V, o6 T7 f* T
13. #define ADCx                          ADC1
    # B) U2 Q% {! E3 B  ]2 L( Q3 y9 J
14. #define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE                      //连续转换模式
    
15. #define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right         //转换结果右对齐
    
16. #define ADCx_ExternalTrigConv         ADC_ExternalTrigConv_None      //不使用外部触发转换，采用软件触发
    
17. #define ADCx_Mode                     ADC_Mode_Independent        //只使用一个ADC，独立模式
    
18. #define ADCx_NbrOfChannel             1                          //一个转换通道
    
19. #define ADCx_ScanConvMode             DISABLE                     //禁止扫描模式，多通道时使用
    0 g; b3 t, k9 o% R0 T2 R5 {
20. /* 通道信息和采样周期 */
    
21. #define ADC_Channel                   ADC_Channel_11
    : y- y6 p; }- R4 \: f* G
22. #define ADC_SampleTime                ADC_SampleTime_55Cycles5
    
23. /* 函数声明 */
    
24. void ADC_COnfig(void);
    8 r" }1 b2 |- ?% X  X
25. void ADC_NVIC_Config(void);
    
26. void ADC_GPIO_Config(void);
    9 Z0 ]9 n* O3 Q& G* ?8 r% b3 j; E
27. void ADCx_Init(void);
    : X, k6 {+ S4 ^/ }
28. #endif  /* __ADC_H */

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引脚配置函数
$ K/ \5 }% K5 B3 K/ ?

    首先配置相应的GPIO引脚，毕竟模拟信号是通过GPIO引脚传输到开发板的，注意的是，引脚的模式一定要是模拟输入！

1. void ADC_GPIO_Config(void)
   7 J1 q7 W+ F1 \; x, N; ^
2. {
   
3. GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
   
4. RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_GPIO_RCC,  ENABLE);
   / d1 i) |9 \( k% U9 {1 u
5. GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;
   ) D* ^$ @& G: a0 C  n
6. GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = ADC_GPIO_MODE ;
   " ~+ U+ W4 C* a- T
7. GPIO_Init(ADC_GPIO_PORT , &GPIO_InitStruct);
   # B# _$ F6 T$ m% R+ U; B
8. }

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+ \  |- y% J& F% C  C6 J

    配置引脚就是老套路：声明结构体变量、开启时钟、写入结构体、初始化GPIO。

NVIC配置函数

    因为我们是在转换完成后利用中断，在中断函数中读取数据，所以要首先配置中断函数的优先级，因为程序中只有这一个中断，所以优先级的配置就比较随意。

1. void ADC_NVIC_Config(void)
   
2. {
   
3. NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct ;
   
4. /* 配置中断优先级分组(设置抢占优先级和子优先级的分配)，在函数在misc.c */
   " p% ]( N. v* u) k$ \2 o. I. ]6 }
5. NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1) ;
   
6. /* 配置初始化结构体 在misc.h中 */
   
7. /* 配置中断源 在stm32f10x.h中 */
   
8. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn ;
   
9. /* 配置抢占优先级 */
   & \  v0 Y. f7 m
10. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;
    / q. t3 h% E6 ~
11. /* 配置子优先级 */
    , `& t9 q6 g; p, S4 G1 T& \
12. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;
    
13. /* 使能中断通道 */
    
14. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;
    
15. /* 调用初始化函数 */
    
16. NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;
    8 \! j6 @; `1 B# E7 `$ A( }" z
17. }

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/ n2 C. i9 M& k. S

ADC配置函数

    ADC的配置函数是ADC的精髓，在这个函数中包含的内容有：ADC的初始化结构体配置、配置了时钟分频、配置了通道转换顺序、打开转换中断、进行校准、软件触发ADC采集等。

    函数中都有详细的注释：

1. void ADC_COnfig(void)
   , X$ m5 \  p6 |$ a) `9 }: ]: U6 B
2. {
   
3.   ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct;
   4 y3 c  S2 y; B/ E$ I7 f- H7 a
4.   RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,  ENABLE);
   
5.   /* 配置初始化结构体，详情见头文件 */
   
6.   ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode  ;
   3 a2 D8 e2 ^$ L% S0 i
7.   ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ;
   
8.   ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ;
   
9.   ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ;
   
10.   ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ;
    
11.   ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ADCx_ScanConvMode ;
    
12.   ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStruct);
    
13.   /* 配置ADC时钟为8分频，即9M */
    
14.   RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
    , V* Y9 S; t  }' w5 `( w
15.   /* 配置ADC通道转换顺序和时间 */
    
16.   ADC_RegularChannelConfig(ADCx, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime );
    
17.   /* 配置为转换结束后产生中断 在中断中读取信息 */
    & ]' ^+ D- S. F4 }
18.   ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE);
    
19.   /* 开启ADC，进行转换 */
    
20.   ADC_Cmd(ADCx, ENABLE );
    
21.   /* 重置ADC校准 */
    " l$ ?0 k9 o8 \% Q6 S. T' f& u: H
22.   ADC_ResetCalibration(ADCx);
    
23.   /* 等待初始化完成 */
    . i. a0 A; W. n- x0 p4 q9 Y/ w
24.   while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx))
    8 \* j: F0 N" u" [' b: ^) E: V
25.     /* 开始校准 */
    
26.     ADC_StartCalibration(ADCx);
    
27.   /* 等待校准完成 */
    $ {% o& L+ t+ u8 D% R
28.   while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
    
29.   /* 软件触发ADC转换 */
    & e; @' H) H3 K6 ~+ [0 U5 U
30.   ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
    $ X6 L; I4 m- a# G0 W  i# q4 i( [
31. }

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; _) U( |* D* O  v) u5 f& O0 e

中断函数

    在中断函数中进行读取数据，将数据存放在变量result中，此处使用关键字extern声明，代表变量result已经在其他文件中定义，关

于extern的介绍在之前发的文章中有extern关键字的介绍。

1. extern uint16_t resurt;
   + H# [8 G$ k+ m7 y: c5 e" s/ \
2. void ADC1_2_IRQHandler(void)
   
3. {
   
4.     /* 判断产生中断请求 */
   
5.   while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET)
   $ M6 K$ K5 M# P2 M7 ?' e
6.     resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx);
     E4 b2 g0 G- G- X
7.   /* 清除中断标志 */
   
8.   ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);
   
9. }

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主函数

    主函数负责接收转换的值，并将其转换为电压值，然后通过串口打印在计算机上，便于调试。

    变量result是主函数中的全局变量，注意最后的结果应该转换为浮点型。

1. #include "stm32f10x.h"
   
2. #include "usart.h"
   
3. #include "adc.h"
   
4. uint16_t result;
     t1 y' O" s6 \8 }
5. void delay(void)
   , R3 W5 q, @. X, S) e3 Q! z6 D% q
6. {
   % R# K2 N  f5 v  r+ ^( G
7.   uint16_t k=0xffff;
   
8.   while(k--);
   0 w  I5 T( e) \# h  b1 C4 q/ \& F
9. }
   + B8 l9 h" O0 \+ _0 J
10. int main(void)
    
11. {
    ( `% n0 @! N  i& `6 D! k  L4 K( w
12.   float voltage;
    , {: g, Z* w2 V5 o: i3 {
13.   /* 串口调试函数 */
    " Y: T2 Y9 X! z1 g
14.   DEBUG_USART_Config();
    
15.   /* 与ADC相关的函数打包在此函数中 */
    
16.   ADCx_Init();
    + R* Z  L3 @, t% x, m2 U
17.   while(1)
    / D0 `) D2 R3 T8 `: ]- c/ b# L
18.   {
    
19.       /* 强制转换为浮点型 */
    
20.     voltage = (float) result/4096*3.3;
    
21.     printf("\n电压值为：%f\n",voltage);
    4 x7 U: H2 J4 T: M2 T; N
22.     delay();
    ! s8 N5 i: J$ y" F7 z; A3 K* X
23.   }
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