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ie8及以上

基于STM32F1的CAN通信之ADC

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攻城狮Melo 发布时间：2023-10-23 19:04
一、什么是ADC
ADC（Analogto-Digital Converter）模拟数字转换器，是将模拟信号转换成数字信号的一种外设。比如某一个电阻两端的是一个模拟信号，单片机无法直接采集，此时需要ADC先将短租两端的电压这个模拟信号转化成数字信号，单片机才能够进行处理。

二、ADC的用途
ADC具有将模拟信号转换成数字信号的能力，比如将模拟的电压转换成数字信号，单片机进行处理。可以用作温度监测或者电流监测等方面，用途极广。

三、STM32F103ZET6的ADC
根据中文参考手册介绍，STM32F103ZET6单片机有3个12位ADC，共有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的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。ADC的输入时钟不得超过14MHz，它是由PCLK2经分频产生。


3.1 ADC通道对应引脚
STM32F103ZET6的ADC各通道对应IO如下

 2LJFBR6J$G1TR[YF5Q9MQOF.png
   
3.2ADC时钟
ADC输入时钟ADC_CLK由APB2分频产生，最大值是14MHz。库函数提供了设置分频因子的函数
  1. void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)
复制代码

可选的分频因子有
  1. #define RCC_PCLK2_Div2                   ((uint32_t)0x00000000)
  2. #define RCC_PCLK2_Div4                   ((uint32_t)0x00004000)
  3. #define RCC_PCLK2_Div6                   ((uint32_t)0x00008000)
  4. #define RCC_PCLK2_Div8                   ((uint32_t)0x0000C000)
复制代码

APB2总线时钟为72MHz，而ADC的最大工作频率为14MHz，所以，分频因子一般设置为6，这样ADC的输入时钟频率为12MHz。

3.3 ADC工作模式
根据中文参考手册介绍，STM32F1的ADC有三种工作模式
• 单次转换模式 单次转换模式下，ADC只执行一次转换。该模式既可通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位(只适用于规则通道)启动也可通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道)，这时CONT位为0。

• 连续转换模式 在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。此模式可通过外部触发启动或通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位启动，此时CONT位是1。

• 扫描模式


33.4 ADC转换时间
ADC的总转换时间与时钟频率有关，总转换时间 = 采样时间 + 12.5个周期。其中，采样时间最短为1.5个周期，也就是最短转换时间为14个时钟周期。使用软件触发时，可选择的采样时间如下
  1. #define ADC_SampleTime_1Cycles5                    ((uint8_t)0x00)
  2. #define ADC_SampleTime_7Cycles5                    ((uint8_t)0x01)
  3. #define ADC_SampleTime_13Cycles5                   ((uint8_t)0x02)
  4. #define ADC_SampleTime_28Cycles5                   ((uint8_t)0x03)
  5. #define ADC_SampleTime_41Cycles5                   ((uint8_t)0x04)
  6. #define ADC_SampleTime_55Cycles5                   ((uint8_t)0x05)
  7. #define ADC_SampleTime_71Cycles5                   ((uint8_t)0x06)
  8. #define ADC_SampleTime_239Cycles5                  ((uint8_t)0x07)
复制代码

3.5 ADC校准
使能ADC后，需要对ADC进行校准。使用库函数开发时，提供了ADC校准的函数
  1. ADC_ResetCalibration(ADC1);//重置指定的ADC的校准寄存器
  2.     while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));//获取ADC重置校准寄存器的状态
  3.    
  4.     ADC_StartCalibration(ADC1);//开始指定ADC的校准状态
  5.     while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//获取指定ADC的校准程序
复制代码

3.6 ADC转换结果与实际电压的换算
获取到的AD转换结果并不是实际电压，如果想要得到实际电压，需要经过换算。上面介绍了，STM32的ADC为12位，也就是AD值取值范围为0~4095。采集电压范围为0到3.3V。AD值与实际电压之间存在比例关系。

实际电压 = (AD值 / 4095) * 3.3。单位为伏特（V）


四、ADC配置步骤
• 使能GPIO时钟和ADC时钟，设置引脚为模拟输入
• 设置ADC的分频因子
• 初始化ADC参数，包括ADC工作模式，规则序列等
• 使能ADC并校准
• 触发AD转换，读取AD转换值


五、ADC配置程序
55.1 ADC初始化程序
这里以配置ADC1的通道1为例，给出ADC的配置例程，分频因子设置为6，单次转换模式，软件触发。
  1. /*
  2. *==============================================================================
  3. *函数名称：ADC1_Init
  4. *函数功能：初始化ADCx
  5. *输入参数：无
  6. *返回值：无
  7. *备  注：无
  8. *==============================================================================
  9. */
  10. void ADC1_Init(void)
  11. {
  12.     // 结构体定义
  13.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  14.     ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
  15.    
  16.     // 开启时钟
  17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
  18.    
  19.     // 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
  20.     RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
  21.    
  22.     // GPIO配置
  23.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
  24.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
  25.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
  26.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  27.    
  28.     // ADC参数配置
  29.     ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 独立模式
  30.     ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非扫描模式
  31.     ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 关闭连续转换
  32.     ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;   // 禁止触发检测，使用软件触发
  33.     ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右对齐
  34.     ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1
  35.     ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化
  36.    
  37.     ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启AD转换器
  38.    
  39.     // ADC校准
  40.     ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校准寄存器
  41.     while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取ADC重置校准寄存器的状态
  42.    
  43.     ADC_StartCalibration(ADC1);   // 开始指定ADC的校准状态
  44.     while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取指定ADC的校准程序

  46.     ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
  47. }
复制代码

5.2 软件触发AD转换
库函数开发，配置为软件触发时，可以通过下面的函数触发AD转换
  1. void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState)
复制代码

5.3 读取AD转换结果
库函数提供了用于读取AD转换结果的函数
  1. uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx)
复制代码

这里给出另一个函数，用于软件触发AD转换并读取转换结果
  1. /*
  2. *==============================================================================
  3. *函数名称：Get_ADC_Value
  4. *函数功能：读取某一规则通道AD值
  5. *输入参数：ch：规则通道ADC_Channel_x；times：读取次数
  6. *返回值：无
  7. *备  注：该函数配置好后，返回的结果是N次后的平均值
  8. *==============================================================================
  9. */
  10. u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)
  11. {
  12.     u32 temp_val = 0;
  13.     u8 t;
  14.     // 设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间
  15.     // ADC1,ADC通道,239.5个周期,提高采样时间可以提高精确度
  16.     ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);      
  17.    
  18.     for(t=0;t<times;t++)
  19.     {
  20.         ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能指定的ADC1的软件转换启动功能
  21.         while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));   // 等待转换结束
  22.         temp_val+=ADC_GetConversionValue(ADC1);
  23.         delay_ms(5);
  24.     }
  25.     return temp_val/times;
  26. }
复制代码

六、实战项目
用ADC1的通道1采集某电阻两端电压（由于普中核心板没有可供采集的电阻，可以直接将采集引脚接到3.3V查看一下结果），将结果通过串口打印到电脑。其中关于串口的配置就不再做介绍，给出ADC的配置和main函数。

6.1 ADC初始化
  1. /*
  2. *==============================================================================
  3. *函数名称：ADC1_Init
  4. *函数功能：初始化ADCx
  5. *输入参数：无
  6. *返回值：无
  7. *备  注：无
  8. *==============================================================================
  9. */
  10. void ADC1_Init(void)
  11. {
  12.     // 结构体定义
  13.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  14.     ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
  15.    
  16.     // 开启时钟
  17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
  18.    
  19.     // 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
  20.     RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
  21.    
  22.     // GPIO配置
  23.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
  24.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
  25.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
  26.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  27.    
  28.     // ADC参数配置
  29.     ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 独立模式
  30.     ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非扫描模式
  31.     ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 关闭连续转换
  32.     ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;   // 禁止触发检测，使用软件触发
  33.     ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右对齐
  34.     ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1
  35.     ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化
  36.    
  37.     ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启AD转换器
  38.    
  39.     // ADC校准
  40.     ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校准寄存器
  41.     while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取ADC重置校准寄存器的状态
  42.    
  43.     ADC_StartCalibration(ADC1);   // 开始指定ADC的校准状态
  44.     while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取指定ADC的校准程序

  46.     ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
  47. }
复制代码


6.2 main函数
  1. u16 gAdcAdValue = 0;   // 存储AD值
  2. float gAdcVol = 0;   // 实际电压值

  4. int main(void)
  5. {
  6.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
  7.    
  8.     while(1)
  9.   {
  10.         gAdcAdValue = Get_ADC_Value (ADC_Channel_1,10);   // 获取转换结果
  11.         gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3;   // 计算实际电压
  12.         printf ("Vol=%.1f V\r\n",gAdcVol);   // 串口打印结果
  13.         
  14.         delay_ms (500);   // 防止打印过快
  15.     }
  16. }
复制代码


七、拓展
7.1 定时器触发ADC采集
根据中文参考手册介绍，ADC可以通过定时器触发AD转换（只有PWM的上升沿可以触发AD转换）。触发方式有以下几种
• TIM1_CH1 :定时器 1 的通道 1 的 PWM 触发
• TIM1_CH2 : 定时器 2 的通道 2 的 PWM 触发
• TIM1_CH3: 定时器 1 的通道 3 的 PWM 触发
• TIM2_CH2 : 定时器 2 的通道 2 的 PWM 触发
• TIM3_TRGO: 定时器 3 触发
• TIM4_CH4 : 定时器 4 的通道 4 的 PWM 触发


微信图片_20231023190424.png

ADC外部触发方式



这里以TIM4的通道4触发ADC采集为例，给出程序配置。

首先是定时器PWM的配置，不对引脚进行重映射。
  1. /*
  2. *==============================================================================
  3. *函数名称：TIM4_CH4_PWM_Init
  4. *函数功能：初始化定时器4的PWM通道4
  5. *输入参数：per：自动重装载值；psc：预分频系数
  6. *返回值：无
  7. *备  注：无
  8. *==============================================================================
  9. */
  10. void TIM4_CH4_PWM_Init (u16 per,u16 psc)
  11. {
  12.     // 结构体定义
  13.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
  14.     TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
  15.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  16.    
  17.     // 开启时钟
  18.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
  19.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
  20.    
  21.     // 初始化GPIO
  22.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
  23.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  24.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
  25.     GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
  26.    
  27.     // 初始化定时器参数
  28.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;   // 自动装载值
  29.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;   // 分频系数
  30.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
  31.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // 设置向上计数模式
  32.     TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure);
  33.    
  34.     // 初始化PWM参数
  35.     TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;   // 比较输出模式
  36.     TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;   // 输出极性
  37.     TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;   // 脉冲宽度
  38.     TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   // 输出使能
  39.     TIM_OC4Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);   // 输出比较通道2初始化
  40.    
  41.     TIM_OC4PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable);   // 使能TIMx在 CCR2 上的预装载寄存器
  42.     TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE);   // 使能预装载寄存器
  43.    
  44.     TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);   // 使能定时器
  45. }
复制代码

ADC配置程序如下，触发源选择TIM4的CH4，使能外部触发。
  1. /*
  2. *==============================================================================
  3. *函数名称：ADC1_Init
  4. *函数功能：初始化ADCx
  5. *输入参数：无
  6. *返回值：无
  7. *备  注：无
  8. *==============================================================================
  9. */
  10. void ADC1_Init(void)
  11. {
  12.     // 结构体定义
  13.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  14.     ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
  15.    
  16.     // 开启时钟
  17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
  18.    
  19.     // 设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14M
  20.     RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
  21.     // 规则通道配置
  22.     ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
  23.    
  24.     // GPIO配置
  25.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
  26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
  27.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
  28.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
  29.    
  30.     // ADC参数配置
  31.     ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 独立模式
  32.     ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非扫描模式
  33.     ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 关闭连续转换
  34.     ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4;   // TIM2通道2触发
  35.     ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右对齐
  36.     ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1个转换在规则序列中 也就是只转换规则序列1
  37.     ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化
  38.    
  39.     // 使能外部触发
  40.     ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);
  41.    
  42.     ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启AD转换器
  43.    
  44.     // ADC校准
  45.     ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校准寄存器
  46.     while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取ADC重置校准寄存器的状态
  47.    
  48.     ADC_StartCalibration(ADC1);   // 开始指定ADC的校准状态
  49.     while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 获取指定ADC的校准程序

  51.     ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的软件转换启动功能
  52. }
复制代码

main函数如下
  1. u16 gAdcAdValue = 0;   // 存储AD值
  2. float gAdcVol = 0;   // 实际电压值

  4. int main(void)
  5. {
  6.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
  7.    
  8.     while(1)
  9.   {
  10.         gAdcAdValue = ADC_GetConversionValue (ADC1);   // 获取转换结果
  11.         gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3;   // 计算实际电压
  12.         printf ("Vol=%.1f V\r\n",gAdcVol);   // 串口打印结果
  13.         
  14.         delay_ms (500);   // 防止打印过快
  15.     }
  16. }
复制代码

初始化定PWM时，程序为
  1. TIM4_CH4_PWM_Init(1000,71);   // 初始化TIM4的通道4
复制代码

分频系数为71 + 1，自动重装载值为1000，也就是1KHz的方波，也就是触发AD转换的频率为1KHz，与占空比无关。


7.2 ADC采集交流信号
ADC能够采集的电压范围是0~3.3V，也就是说负电压无法采集。比如，需要采集下图中的一个交流信号

微信图片_20231023190420.png

交流信号图



其位于0以下的部分是无法采集的。因此，在利用STM32采集交流信号时，在交流信号输入ADC引脚前，给交流信号增加一个直流偏置，将交流信号的最低点抬升到0以上，之后再输入ADC引脚。


7.3 计算交流信号有效值
ADC可以用于电流监测，实时监测主线路中的电流。当然，硬件方面需要搭配电流互感线圈，通过采集互感线圈两端的电压，来监测主线路电流。由于一般都是交流信号，所以需要计算有效值。

根据我们所学的知识，计算交流信号有效值常用两种方法。一种是峰峰值除以根号2，另一种是计算均方根得到有效值。通常我们采用计算均方根的方法来计算有效值。因为如果用峰峰值除以根号2去计算有效值，峰峰值很容易不准确。如果在某一个时刻，由于环境干扰或者硬件问题，导致突然出现了一个很大的值，会导致计算结果与实际偏差较大。关于为什么计算均方根可以得到交流信号的有效值，这里就不做介绍了，只给出部分程序设计。由于博主目前身边没有合适的设备验证，因此仅供参考。

假设需要计算一个50Hz交流信号的的有效值，在其输入到ADC采集引脚之前，增加一个稳定的1.65V的偏置。ADC的采样频率为1KHz，也就是一个正弦波的周期可以采集20个点。假设采集到的AD值存储到一个数组中，计算有效值的程序设计如下
  1. int gAdcAdValue[20];   // 存储采样结果AD值的数组
  2. int gAdcValidValue = 0;   // 有效值

  4. void Med_Adc_ValidValueCal (void)
  5. {
  6.     int tempVar = 0;   // 循环变量
  7.     int squarSum = 0;   // 平方和
  8.    
  9.     // 求平方和
  10.     for (tempVar = 0;tempVar < 20;tempVar ++)
  11.     {
  12.         // 减去直流偏置
  13.         gAdcAdValue[tempVar] = gAdcAdValue[tempVar] - 2048;
  14.         // 计算平方和
  15.         squarSum = squarSum + gAdcAdValue[tempVar] * gAdcAdValue[tempVar];
  16.     }
  17.    
  18.     // 求平均
  19.     squarSum = squarSum / 20;
  20.    
  21.     // 开根号得到均方根（有效值）
  22.     gAdcValidValue = sqrt (squarSum);
  23. }
复制代码

在进行程序设计时需要注意不要超出数据类型范围。在实际应用时肯定会存在误差，这里也简单介绍一下误差消除方法。目前用到的有两种方法，第一种是分段矫正，在不同的区间内，误差满足线性关系时可以使用。另一种是按比例矫正，这种方法常用于误差随着测量值的增大而增大的情况。在计算出有效值后，减去或者加上一定比例的计算值来做矫正。



转载自： 二土电子
如有侵权请联系删除

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