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ADC电压采集原理解析

一、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。ADC1 和ADC2 都有 16 个外部通道，ADC3 根据 CPU 引脚的不同通道数也不同，一般都有 8 个外部通道。

二、ADC功能框图


模块1：电压输入范围
ADC电压输入范围VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。般把 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。

模块2：输入通道
STM32的 ADC 多达 18 个通道，其中外部的 16 个通道就是框图中ADCx_IN0、ADCx_IN1…ADCx_IN5。对应着不同的IO口，可查询手册。其中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。外部的 16 个通道在转换的时候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。

stm32f103vet6
规则通道： 规则通道就是很规矩的意思，平时用的就是这种他通道。
注入通道：理解为插入，插队的意思，是一种不安分的通道。注入通道只有在规则通道存在时才会出现。

模块3：转换顺序
规则序列寄存器有 3 个，分别为 SQR3、SQR2、SQR1。
注入序列寄存器JSQR只有一个，最多支持4个通道。

模块4：触发源
在通道选好，转换顺序设置好，开始转换。ADC 转换可以由 ADC 控制寄存器 2: ADC_CR2 的 ADON 这个位来控制，写 1 的时候开始转换，写 0 的时候停止转换，这个是最简单也是最好理解的开启 ADC 转换的控制方式，理解起来没啥技术含量。
ADC 还支持触发转换，这个触发包括内部定时器触发和外部 IO 触发。具体选择哪一种触发源，由 ADC 控制寄存器 2:ADC_CR2 的 EXTSEL[2:0] 和
JEXTSEL[2:0] 位来控制。选定好触发源之后，触发源是否要激活，则由 ADC 控制寄存器 2:ADC_CR2 的EXTTRIG 和 JEXTTRIG 这两位来激活。

模块5：转换时间
1.ADC时钟：ADC 输入时钟 ADC_CLK 由 PCLK2 经过分频产生，最大是 14M，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，注意这里没有 1 分频。一般我们设置PCLK2=HCLK=72M。
2.采样时间：ADC 的转换时间跟 ADC 的输入时钟和采样时间有关，公式为：Tconv = 采样时间 + 12.5 个周期。当 ADCLK = 14MHZ（最高），采样时间设置为 1.5 周期（最快），那么总的转换时间（最短）Tconv= 1.5 周期 + 12.5 周期 = 14 周期 = 1us。

模块5：数据寄存器
ADC 转换后的数据根据转换组的不同，规则组的数据放在 ADC_DR 寄存器，
注入组的数据放在 JDRx。
1.规则数据寄存器：32位。低 16 位在单 ADC 时使用，高 16 位是在 ADC1 中双模式下保存 ADC2 转换的规则数据，双模式就是 ADC1 和 ADC2 同时使用。在单模式下，ADC1/2/3 都不使用高 16 位。因为 ADC 的精度是 12 位，无论 ADC_DR 的高16 或者低 16 位都放不满，只能左对齐或者右对齐，具体是以哪一种方式存放，由 ADC_CR2 的11 位 ALIGN 设置。
规则通道可以有 16 个这么多，可规则数据寄存器只有一个，如果使用多通道转换，那转换的数据就全部都挤在了 DR 里面，前一个时间点转换的通道数据，就会被下一个时间点的另外一个通道转换的数据覆盖掉，所以当通道转换完成后就应该把数据取走，或者开启 DMA 模式，把数据传输到内存里面，不然就会造成数据的覆盖。最常用的做法就是开启 DMA 传输。

2.注入数据寄存器
ADC 注入组最多有 4 个通道，刚好注入数据寄存器也有 4 个，每个通道对应着自己的寄存器，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。

模块7：中断
1.转换结束中断：数据转换结束后，可以产生中断，中断分为三种：规则通道转换结束中断，注入转换通道转换结束中断，模拟看门狗中断。
2.模拟看门狗中断：当被 ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就会产生中断，前提是我们开启了模拟看门狗中断。
3.DMA请求：规则和注入通道转换结束后，除了产生中断外，还可以产生 DMA 请求，把转换好的数据直接存储在内存里面。要注意的是只有 ADC1 和 ADC3 可以产生 DMA 请求。

模块8：电压转换
模拟电压经过 ADC 转换后，是一个 12 位的数字值，如果通过串口以 16 进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压。ADC 的输入电压范围设定在：0~3.3v，因为 ADC 是 12 位的，
那么 12 位满量程对应的就是 3.3V，12 位满量程对应的数字值是：2^12。数值 0 对应的就是 0V。如果转换后的数值为 X ，X 对应的模拟电压为 Y，那么会有这么一个等式成立：2 ^12 / 3.3 = X/ Y，=> Y = (3.3 * X ) /2 ^12。

三、ADC初始化结构体详解

typedef struct
{
uint32_t Mode; // ADC 工作模式选择
FunctionalState ScanConvMode; /* ADC 扫描（多通道）或者单次（单通道）模式选择 */
FunctionalState ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
uint32_t ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
uint32_t DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
uint8_t NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
} ADC_InitTypeDef;

(1)独立模式单通道采集实验-中断读取

编写2个驱动文件：bsp_adc.h 和 bsp_adc.c，用来存放 ADC 所用 IO 引脚的初始化函数以及 ADC 配置相关函数。

编程要点

  1. 初始 ADC 用到的 GPIO；
  2. 设置 ADC 的工作参数并初始化；
  3. 设置 ADC 工作时钟；
  4. 设置 ADC 转换通道顺序及采样时间；
  5. 配置使能 ADC 转换完成中断，在中断内读取转换完数据；
  6. 使能 ADC；
  7. 使能软件触发 ADC 转换。
    ADC 转换结果数据使用中断方式读取，这里没有使用 DMA 进行数据传输。

bsp_adc.h

#ifndef __BSP_ADC_H_
#define __BSP_ADC_H_

#include "stm32f10x.h"

// ADC GPIO宏定义
// 注意：用作ADC采集的IO必须没有复用，否则采集电压会有影响
#define    ADC_GPIO_APBxClock_FUN        RCC_APB2PeriphClockCmd
#define    ADC_GPIO_CLK                  RCC_APB2Periph_GPIOC  
#define    ADC_PORT                      GPIOC
#define    ADC_PIN                       GPIO_Pin_1     

// ADC 编号选择
// 可以是 ADC1/2，如果使用ADC3，中断相关的要改成ADC3的
#define    ADC_APBxClock_FUN             RCC_APB2PeriphClockCmd
#define    ADC_x                         ADC2
#define    ADC_CLK                       RCC_APB2Periph_ADC2   

// ADC 通道宏定义
#define    ADC_CHANNEL                   ADC_Channel_11

// ADC 中断相关宏定义
#define    ADC_IRQ                       ADC1_2_IRQn
#define    ADC_IRQHandler                ADC1_2_IRQHandler

void ADCx_Init(void);

#endif

bsp_adc.c（中断配置）

#include "bsp_adc.h"

static void ADCx_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	// 打开 ADC IO端口时钟
	ADC_GPIO_APBxClock_FUN ( ADC_GPIO_CLK, ENABLE );
	
	// 配置 ADC IO 引脚模式
	// 必须为模拟输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	
	// 初始化 ADC IO
	GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);		
}

static void ADCx_Mode_Config(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	
    // 打开ADC时钟
	ADC_APBxClock_FUN ( ADC_CLK, ENABLE );
	
	//ADC模式配置
	//只是用一个ADC，属于独立模式
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	//禁止扫描模式，多通道才需要，单通道不需要
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
	//连续转化模式
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	//不用外部触发转换，软件开启即可
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	//转换结果右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
	//转换通道1个
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
	//初始化ADC
	ADC_Init(ADC_x, &ADC_InitStructure);
	
	//配置ADC时钟为CLK的8分频，即9MHz
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
	//配置ADC通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为55.5个时钟周期
	ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL,1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	//ADC转换结束产生中断，在中断服务程序中读取转换值
	ADC_ITConfig(ADC_x, ADC_IT_EOC, ENABLE);
	
	
	//开启ADC，并开始转换
	ADC_Cmd(ADC_x,ENABLE);
	
	// 初始化ADC 校准寄存器  
	ADC_ResetCalibration(ADC_x);
	// 等待校准寄存器初始化完成
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_x));
	
	// ADC开始校准
	ADC_StartCalibration(ADC_x);
	// 等待校准完成
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC_x));
	
	//由于没有采用外部触发，所以使用软件触发ADC转换
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_x,ENABLE);
}

//中断配置
static void ADC_NVIC_Config(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	// 优先级分组
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

  // 配置中断优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQ;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

/**
  * @brief  ADC初始化
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void ADCx_Init(void)
{
	ADCx_GPIO_Config();
	ADCx_Mode_Config();
	ADC_NVIC_Config();
}

中断服务函数在stm32f10x_it.h中配置

void ADC_IRQHandler(void)
{
	 if(ADC_GetITStatus(ADC_x,ADC_IT_EOC) == SET)
	 {
		 //读取ADC的转换值
		 ADC_ConvertedValue  = ADC_GetConversionValue(ADC_x);
	 }
		 ADC_ClearITPendingBit(ADC_x,ADC_IT_EOC);    //清除RCC的中断挂起位
}

main（）函数中

#include "stm32f10x.h"    //相当于51单片中的#include <reg51.h>
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_usart.h" 
#include "bsp_adc.h" 

extern __IO uint16_t ADC_ConvertedValue;   //__IO

// 局部变量，用于保存转换计算后的电压值 	 
float ADC_ConvertedValueLocal;   

// 软件延时
void Delay(__IO uint32_t nCount)
{
  for(; nCount != 0; nCount--);
} 

int main(void)
{
   //配置串口
	 USART_Config(); 
	 //ADC初始化
	 ADCx_Init();
	
	 printf("\r\n ----这是一个ADC单通道中断读取实验----\r\n");
	
	 while(1)
	{
	    ADC_ConvertedValueLocal = (float)ADC_ConvertedValue/4096*3.3;
		  printf("\r\n the current AD value = 0x%04x \r\n",ADC_ConvertedValue);
		  printf("\r\n the current AD value = %f  V \r\n",ADC_ConvertedValueLocal);
		  printf("\r\n\r\n");
		  Delay(0XFFFFEE);
	}
}

（2）独立模式-单通道-DMA读取（不占用CPU）

1.读取数据较多时用，需要速度较快时，用DMA读取
在stm32f103中，只有ADC1和ADC3具有DMA请求，ADC2不具有，此处只是使用了ADC1传输。
bsp_adc.h

#ifndef __BSP_ADC_H_
#define __BSP_ADC_H_

#include "stm32f10x.h"

// ADC GPIO宏定义
// 注意：用作ADC采集的IO必须没有复用，否则采集电压会有影响
#define    ADC_GPIO_APBxClock_FUN        RCC_APB2PeriphClockCmd
#define    ADC_GPIO_CLK                  RCC_APB2Periph_GPIOC  
#define    ADC_PORT                      GPIOC
#define    ADC_PIN                       GPIO_Pin_1   

// ADC 编号选择
// 可以是 ADC1/2，如果使用ADC3，中断相关的要改成ADC3的
#define    ADC_APBxClock_FUN             RCC_APB2PeriphClockCmd
#define    ADC_x                         ADC1
#define    ADC_CLK                       RCC_APB2Periph_ADC1

// ADC 通道宏定义
#define   ADC_CHANNEL                   ADC_Channel_11

//此处时DMA的宏定义
#define   ADC_DMA_CLK                   RCC_AHBPeriph_DMA1
#define   ADC_DMA_CHANNEL               DMA1_Channel1

void ADCx_Init(void);

#endif

bsp_adc.c

#include "bsp_adc.h"

__IO uint16_t ADC_ConvertedValue;

static void ADCx_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	// 打开 ADC IO端口时钟
	ADC_GPIO_APBxClock_FUN ( ADC_GPIO_CLK, ENABLE );
	
	// 配置 ADC IO 引脚模式
	// 必须为模拟输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ADC_PIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	
	// 初始化 ADC IO
	GPIO_Init(ADC_PORT, &GPIO_InitStructure);		
}

static void ADCx_Mode_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
	// 打开DMA时钟
	RCC_AHBPeriphClockCmd(ADC_DMA_CLK, ENABLE);
	// 复位DMA控制器
	DMA_DeInit(ADC_DMA_CHANNEL);
	
	// 配置 DMA 初始化结构体
	// 外设基址为：ADC 数据寄存器地址
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ( uint32_t ) ( & ( ADC_x->DR ) );
	// 存储器地址，实际上就是一个内部SRAM的变量
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&ADC_ConvertedValue;
	// 数据源来自外设
	DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
	// 缓冲区大小为1，缓冲区的大小应该等于存储器的大小
	DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;
	// 外设寄存器只有一个，地址不用递增
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
	// 存储器地址固定
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Disable; 
	// 外设数据大小为半字，即两个字节
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
	// 存储器数据大小也为半字，跟外设数据大小相同
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
	// 循环传输模式
	DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;	
  // DMA 传输通道优先级为高，当使用一个DMA通道时，优先级设置不影响
	DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
	// 禁止存储器到存储器模式，因为是从外设到存储器
	DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
	// 初始化DMA
	DMA_Init(ADC_DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure);
	// 使能 DMA 通道
	DMA_Cmd(ADC_DMA_CHANNEL , ENABLE);	
	
/*..............................................................*/
	
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	
    // 打开ADC时钟
	ADC_APBxClock_FUN ( ADC_CLK, ENABLE );
	
	//ADC模式配置
	//只是用一个ADC，属于独立模式
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	//禁止扫描模式，多通道才需要，单通道不需要
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
	//连续转化模式
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	//不用外部触发转换，软件开启即可
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	//转换结果右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
	//转换通道1个
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
	//初始化ADC
	ADC_Init(ADC_x, &ADC_InitStructure);
	
	//配置ADC时钟为CLK的8分频，即9MHz
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
	//配置ADC通道转换顺序为1，第一个转换，采样时间为55.5个时钟周期
	ADC_RegularChannelConfig(ADC_x, ADC_CHANNEL,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);

    //使能ADC_DMA请求
	ADC_DMACmd(ADC_x,ENABLE);
	//开启ADC，并开始转换
	ADC_Cmd(ADC_x,ENABLE);
	
	// 初始化ADC 校准寄存器  
	ADC_ResetCalibration(ADC_x);
	// 等待校准寄存器初始化完成
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_x));
	
	// ADC开始校准
	ADC_StartCalibration(ADC_x);
	// 等待校准完成
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC_x));
	
	//由于没有采用外部触发，所以使用软件触发ADC转换
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_x,ENABLE);
}

/**
  * @brief  ADC初始化
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void ADCx_Init(void)
{
	ADCx_GPIO_Config();
	ADCx_Mode_Config();
}

main()函数中还是同样的。

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