ADC简介
1 a$ w7 W7 E6 S3 k) c; `5 M9 r

    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：

    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。

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：

    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。

    ADC的全部通道如下图所示：

    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：

    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：

    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。

    配置转换顺序的函数如下代码所示：

1. /**
   ( J9 L( Q4 f8 t; J! l4 j  I
2.   * @brief  Configures for the selected ADC regular channel its corresponding
   # P/ N3 S  h5 v, s3 @) k$ Z. ?2 |2 G
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.
   
5.   * @param  ADC_Channel: the ADC channel to configure.
   ) u: }, o9 F1 K9 v" v+ m3 ?; C
6.   *   This parameter can be one of the following values:
   
7.   *     @arg ADC_Channel_0: ADC Channel0 selected
   
8.   *     @arg ADC_Channel_1: ADC Channel1 selected
   
9.   *     @arg ADC_Channel_2: ADC Channel2 selected
   0 n0 ?* s0 f$ t9 S* G4 u
10.   *     @arg ADC_Channel_3: ADC Channel3 selected
    
11.   *     @arg ADC_Channel_4: ADC Channel4 selected
    ; ?! d4 S7 W0 E, N- x0 M* d
12.   *     @arg ADC_Channel_5: ADC Channel5 selected
    9 }: R- Z, H' M! |3 \
13.   *     @arg ADC_Channel_6: ADC Channel6 selected
    
14.   *     @arg ADC_Channel_7: ADC Channel7 selected
    
15.   *     @arg ADC_Channel_8: ADC Channel8 selected
    ! W! v  q& ^+ D; f
16.   *     @arg ADC_Channel_9: ADC Channel9 selected
    + U1 _9 W& @7 L, ]" A  D& |
17.   *     @arg ADC_Channel_10: ADC Channel10 selected
    9 @' S+ k! n% D) B
18.   *     @arg ADC_Channel_11: ADC Channel11 selected
    
19.   *     @arg ADC_Channel_12: ADC Channel12 selected
    2 Z1 D2 M; V  g/ d
20.   *     @arg ADC_Channel_13: ADC Channel13 selected
    8 ~+ z; E1 ]. F4 C
21.   *     @arg ADC_Channel_14: ADC Channel14 selected
    8 K, u9 l, b3 U1 ^/ a  @
22.   *     @arg ADC_Channel_15: ADC Channel15 selected
    
23.   *     @arg ADC_Channel_16: ADC Channel16 selected
    
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.
    % H! f2 ?4 H! S
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
    " O5 F0 T- N- W3 z# I
29.   *     @arg ADC_SampleTime_7Cycles5: Sample time equal to 7.5 cycles
    ' K( y! q4 Y, m; [7 K
30.   *     @arg ADC_SampleTime_13Cycles5: Sample time equal to 13.5 cycles
      e4 U1 S! B8 v
31.   *     @arg ADC_SampleTime_28Cycles5: Sample time equal to 28.5 cycles
    
32.   *     @arg ADC_SampleTime_41Cycles5: Sample time equal to 41.5 cycles
    
33.   *     @arg ADC_SampleTime_55Cycles5: Sample time equal to 55.5 cycles
    * ]! f& z8 v* T7 @/ ?
34.   *     @arg ADC_SampleTime_71Cycles5: Sample time equal to 71.5 cycles
    
35.   *     @arg ADC_SampleTime_239Cycles5: Sample time equal to 239.5 cycles
    % m7 h5 ^9 ~; y$ q; f  Y
36.   * @retval None
    
37.   */
    ; d; C/ x9 ~! \( G
38. void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime)
    0 S$ T% R( [& b) H
39. {
    
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。

    在参考手册中可以找到，ADC_CR2寄存器的详情如下：

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得时钟是由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.

1. 转换时间=采样时间+12.5个周期

复制代码

) W, m4 N0 H) L4 k! A    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。

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：

    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。

    DMA的使用之前介绍过，请移步此处：DMA介绍。

    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

        

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：

    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。

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

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
   
2. {
   
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
   & I+ O/ J1 i" e7 y) q( H. X& x7 `! y
5. FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
   6 l  r( I6 j3 ^/ X+ n" P9 y
6. uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
   6 w, G: @0 h5 K
7. uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
   " K' r- X1 x* T3 f2 \3 v4 }" |
8. uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
   
9. } ADC_InitTypeDef;

复制代码

    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。

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
   * P( C: V7 k" \; C7 t9 J5 @, Z
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*/
   
5. #define ADC_GPIO_RCC     RCC_APB2Periph_GPIOC
   % Q3 W* T: J4 j) ?
6. #define ADC_GPIO_PORT    GPIOC
   ) r: O3 f6 z+ Q
7. #define ADC_GPIO_PIN     GPIO_Pin_1
   " }1 h" Q/ k/ k# K& e" i) N
8. #define ADC_GPIO_MODE    GPIO_Mode_AIN  
   
9. /* 配置与中断有关的信息 */
   # B" w& j1 P( U1 z4 C- C
10. #define ADC_IRQn         ADC1_2_IRQn
    : {" c6 @7 d+ a7 ^! ]" o/ S) M5 x
11. #define ADC_RCC          RCC_APB2Periph_ADC1
    
12. /* 配置ADC初始化结构体的宏定义 */
    + }. v5 n, l& ~) S5 Q2 }: A
13. #define ADCx                          ADC1
    
14. #define ADCx_ContinuousConvMode       ENABLE                      //连续转换模式
    . r) N9 B& T2 n# l6 h0 ]5 p3 J, u
15. #define ADCx_DataAlign                ADC_DataAlign_Right         //转换结果右对齐
    2 n$ n2 ~5 e0 G, y5 ]2 d
16. #define ADCx_ExternalTrigConv         ADC_ExternalTrigConv_None      //不使用外部触发转换，采用软件触发
    ; H" z* t0 z" y3 L
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
    - y0 Y- Y2 \+ N% H+ o% P' M# B6 U
20. /* 通道信息和采样周期 */
    ( o# R6 X7 ]/ P! t  M( M3 Z
21. #define ADC_Channel                   ADC_Channel_11
    ! J) w3 z$ w9 G
22. #define ADC_SampleTime                ADC_SampleTime_55Cycles5
    
23. /* 函数声明 */
    
24. void ADC_COnfig(void);
    
25. void ADC_NVIC_Config(void);
    - f- j' F; J1 C7 G7 D# c( e1 H- F# h
26. void ADC_GPIO_Config(void);
    
27. void ADCx_Init(void);
    
28. #endif  /* __ADC_H */

复制代码

引脚配置函数
" B! p# Z, s) S2 R; {( ~9 L: O

    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)
   
2. {
   
3. GPIO_InitTypeDef   GPIO_InitStruct;
   
4. RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_GPIO_RCC,  ENABLE);
   # y  S" D. Y) B8 `0 L
5. GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = ADC_GPIO_PIN ;
   
6. GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = ADC_GPIO_MODE ;
   7 _/ C9 A7 u- H7 i- m
7. GPIO_Init(ADC_GPIO_PORT , &GPIO_InitStruct);
   ) q7 n( ^1 }4 g& y$ q) T/ Q3 R
8. }

复制代码

    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. {
   % B& o' s& k: z( r, U1 T
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 */
   
5. NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1) ;
   9 V6 o, Y' h. W" S( z6 n2 i: z! D" L
6. /* 配置初始化结构体 在misc.h中 */
   7 H5 L7 @' c6 n& D6 e) o1 d
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 */
   2 T5 o4 U. ]: f$ ^. y8 y
10. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1 ;
    
11. /* 配置子优先级 */
    8 {) g  r- f& b
12. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1 ;
    # U) r% i8 _8 v$ O* p9 ?- `
13. /* 使能中断通道 */
    
14. NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE ;
    ' X) P- `8 B$ z" N7 f; q) V5 w' x
15. /* 调用初始化函数 */
    * Z7 G* Z, R6 e& A: l
16. NVIC_Init(&NVIC_InitStruct) ;
    " O; ^3 j9 N! c, e( d
17. }

复制代码

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)
   5 ^% y/ p6 T2 g
2. {
   
3.   ADC_InitTypeDef  ADC_InitStruct;
   " ?' `3 ?7 W, t3 w! v
4.   RCC_APB2PeriphClockCmd(ADC_RCC,  ENABLE);
   
5. /* 配置初始化结构体，详情见头文件 */
   " D& U" Y3 H/ {: G
6.   ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ADCx_ContinuousConvMode  ;
   
7.   ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADCx_DataAlign ;
   ' x1 l+ `$ Q# \, M# j5 d
8.   ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADCx_ExternalTrigConv ;
   
9.   ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADCx_Mode ;
   
10.   ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = ADCx_NbrOfChannel ;
    & Y9 h) o! i/ G6 Q
11.   ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ADCx_ScanConvMode ;
    
12.   ADC_Init(ADCx, &ADC_InitStruct);
    / d3 u" V: V: c! @
13. /* 配置ADC时钟为8分频，即9M */
    
14.   RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
    
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  x4 ?0 h2 x: D
18.   ADC_ITConfig(ADCx, ADC_IT_EOC,ENABLE);
    
19. /* 开启ADC，进行转换 */
    
20.   ADC_Cmd(ADCx, ENABLE );
    ; v" d. w6 |" d
21. /* 重置ADC校准 */
    . a9 X: u' j& s* m9 K* f: _5 {
22.   ADC_ResetCalibration(ADCx);
    % E6 T  R/ v# w) T
23. /* 等待初始化完成 */
    
24. while(ADC_GetResetCalibrationStatus( ADCx))
    ' Z2 j" [7 q6 T3 z5 @! f
25. /* 开始校准 */
    
26.     ADC_StartCalibration(ADCx);
    
27. /* 等待校准完成 */
    * j& i3 \8 V1 ^$ D
28. while (ADC_GetCalibrationStatus(ADCx));
    
29. /* 软件触发ADC转换 */
    ( a( ~* m7 Y, H! n4 ^; c  `, k7 F4 [* B
30.   ADC_SoftwareStartConvCmd(ADCx, ENABLE);
    $ L% N5 R( v  P0 H
31. }

复制代码

3 r& r: b+ n4 Z! G; Q* l7 q

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的介绍，具体请移步此处:extern关键字。

1. extern uint16_t resurt;
   
2. void ADC1_2_IRQHandler(void)
   
3. {
   ( f# D- K6 }$ S# p  m3 H" }
4. /* 判断产生中断请求 */
   5 p$ F; y$ i% n  Y7 J8 U! a8 k
5. while(ADC_GetITStatus(ADCx, ADC_IT_EOC) == SET)
   
6.     resurt=ADC_GetConversionValue(ADCx);
   
7. /* 清除中断标志 */
   
8.   ADC_ClearITPendingBit(ADCx, ADC_IT_EOC);
   4 e3 e; I1 ]" _# i. J
9. }

复制代码

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. 
   
2. #include "stm32f10x.h"
   
3. #include "usart.h"
   ' D' ^% z) i- o  i
4. #include "adc.h"
   
5. uint16_t result;
   + y0 u4 z% g: k; V1 r, J
6. void delay(void)
   4 e  I4 ~+ D0 I' e- h
7. {
   
8. uint16_t k=0xffff;
   
9. while(k--);
   
10. }
    
11. int main(void)
    
12. {
    
13. float voltage;
    
14. /* 串口调试函数 */
    
15.   DEBUG_USART_Config();
    / w! h" S' E) {; S3 x' X- f
16. /* 与ADC相关的函数打包在此函数中 */
    
17.   ADCx_Init();
    
18. while(1)
    9 F- F4 f; W4 J/ K6 S: g- l
19.   {
    & B! j4 b1 K: m" ~8 |- h& e3 F
20. /* 强制转换为浮点型 */
    
21.     voltage = (float) result/4096*3.3;
    ' m# B2 P0 C6 d
22. printf("\n电压值为：%f\n",voltage);
    # g" B3 z% h( d! p% j
23.     delay();
    / F) @! J4 ]1 C9 X
24.   }
    4 x7 d7 Y& u- u1 L
25. }
    

复制代码