全面解析STM32的ADC功能

1、ADC简介

ADC 即模拟数字转换器，英文详称 Analog-to-digital converter，可以将外部的模拟信号转换为数字信号。 STM32F103 系列芯片拥有 3 个ADC（C8T6 只有 2 个），这些ADC可以独立使用，其中ADC1和ADC2还可以组成双重模式（提高采样率）。 

STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个内部信号源，其中ADC3根据CPU引脚的不同其通道数也不同，一般有8个外部通道。ADC 中的各个通道的 A/D 转换可以单次、 连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以以左对齐或者右对齐存储在 16 位数据寄存器中。

2、ADC的重要名词介绍

ADC输入电压：要求在ADC供电电压的正负极之间变化(0~3.3V)。

ADC的分辨率：用位数表示，位数越高，量化结果越精细，对应分辨率就越高。如：12位的AD值量化结果的范围：0~2^12-1(0~4095)。(电压范围：0~3.3v，实际电压值与量化结果成正比)

转换频率/转换时间：如：1MHz/1us(STM32的最快转换时间)

ADC的通道数：ADC1/2有18个通道，18个通道：16个外部通道，2个内部通道(一个接内部温度传感器(可测量CPU的温度)，一个是内部参考电压(1.2V左右的基准电压，不随外部电压的变化而变化。作用：如果你的芯片供电电压不是标准的3.3V，测量外部引脚的电压可能不准，就可以读取基准电压来校准，就能得到正确的电压值了)) ADC3根据CPU引脚的不同其通道数也不同，一般有8个外部通道。

规则组与注入组：ADC可以一次性转换一个组，转换完结束。

模拟看门狗：自动检测输入电压范围，可用于当某模拟量(如光照/电压)大于某阈值时，就执行一些操作，当AD值高于/低于设定的阈值时，它就会申请中断。

3、STM32的ADC框图

STM32可选择多个通道：一般的ADC(如之前讲解的ADC0809芯片)， 多路开关只能选一个通道，开始转换，等待转换完成，取出结果。而对应STM32的ADC可以同时选多个通道，还分成了两个组(规则组和注入组)，规则组一次性最多可以选16个通道，注入组一次性可选择4个通道。规则组只有一个数据寄存器，当ADC有多个通道需要转换时，每个通道转换完成后，可以用DMA及时将数据转运到其他存储器上，防止数据被覆盖。注入组有4个数据寄存器，注入组不需要担心数据覆盖的问题。

左下角的开始触发与ADC0809的START类似：

触发ADC开始转换的信号有两种：

1.软件触发  

2.硬件触发(ADC框图的左下角，上面是注入组触发，下面是规则组触发，定时器可以通向DAC或ADC用于触发转换。

实际问题：ADC需要经常过一段时间转换一次，例如隔1ms转换一次。

①.使用中断：用定时器，每隔1ms申请中断一次，在中断里手动开启一次转换。 用中断会影响主程序的执行，并且不同中断之间优先级不同，有时会导致一些中断不能及时响应，如果触发ADC的中断不能及时响应，那ADC的转换频率就会受到影响。

②.使用硬件触发：对于这些需要频繁进中断，而只在中断中只做一些简单工作的，一般都有硬件的支持(触发输出使ADC开始工作，不需要中断)，对于上面的实际问题就可以使用硬件触发的方法。

注入组和ADC3的外部触发详见参考手册

例如：用TIM3定时1ms，并选择TIM3的更新事件选择为TRGO输出，然后在ADC这里选择开始触发信号为TIM3的TRGO，这样TIM3的更新事件就可以通过硬件来触发ADC开始转换了。也可以用外部中断引脚来触发转换。

VREF+/VREF-:DAC的参考电压，DAC的参考电压也决定了ADC的输入电压范围，所以他也是ADC的参考电压

VDDA(3.3V)与VSSA(0V)：内部模拟部分(ADC、RC震荡器、锁相环等)的电源，一般情况下VDDA接VREF+，VSSA接VREF-。

ADCCLK:ADC的时钟，ADC预分频器是来自RCC的，一般我们设置 PCLK2 为 72MHz。为了不超过 ADC 的最大输入时钟频率 14MHz，我们设置 ADC 的预分频器分频系数为 6，就可以得到 ADC 的输入时钟频率为 72MHz/6，即12MHz。 

中断相关：

如果开启了模拟看门狗，并指定了看门狗的通道，那么看门狗就会关注这个通道，一旦超过阈值范围，就会申请模拟看门狗的中断，最后通向NVIC。

对于规则组与注入组转换完成之后也会产生一个EOC/JEOC转换完成的信号，这两个信号会在状态寄存器置一个标志位，读取这个标志位就可以知道是否转换完成了，这两个标志位也可以去NVIC申请中断，如果开启了NVIC相应通道就可以触发中断。

总结ADC的基本结构：

图片选自B站江科大STM入门教学PPT

4、ADC的输入通道与引脚对应关系

原理图上的引脚PA0上的ADC12_IN0说明ADC1和ADC2的外部输入引脚IN0都在PA0上，ADC1/ADC2的输入引脚在同一个引脚上可用于开启双ADC模式 。

图片选自B站江科大STM入门教学PPT

5、规则组的四种转换模式

图片选自B站江科大STM入门教学PPT

小结：

非扫描模式和扫描模式：是否要扫描多个ADC通道，若只有一个通道，就可以使用非扫描模式。若有多个通道模拟值需要采集，就可以使用扫描模式。扫描模式相当于有多个ADC通道需要转换，非扫描模式就默认只有一个通道。

单次转换模式和连续转换模式：若有1个通道，单次转换就是ADC转换一次这个通道就停下来。连续转换就是ADC转换一次这个通道后，继续将最新的通道值转换出来(模拟量转数字量，转换频率由ADC转换频率决定，可以设置ADC采样时间)。若有多个ADC通道，单次转换就是ADC转换一次这多个通道(按照一定的顺序，可以设置)就停下来。连续转换就是ADC转换一次这多个通道后，继续将最新的多个通道值转换出来，继续按照之前设置好的通道顺序进行转换。

6、ADC的数据对齐

图片选自B站江科大STM入门教学PPT

ADC数据的左对齐与右对齐：

数据寄存器是16位的，而ADC的转换结果是12位，那么数据就有左对齐和右对齐(常用)。

二进制数的特点：左移n位，数据增大2^n倍  左对齐直接读的话会比实际值大16倍。

左对齐的用途：如果你不想要这么高的分辨率，可以选择左对齐，然后把高八位取出来，这样就舍弃了后面4位精度。

7、ADC的转换时间

图片选自B站江科大STM入门教学PPT

量化编码：就是逐次比较的过程，位数越多花的时间越长。

采样保持电路：量化编码是需要一小段时间的，这段时间输入电压不允许变化，故需要一个电容来收集采样后外部的电压，收集完之后再关闭采样与电容之间的通道。

ADC的采样时间是可以设置的，ADC周期可通过设置ADCCLK(通过RCC设置分频系数)来设置，而STM32 ADC的转换时间=采样时间+12.5个ADC周期，故可通过程序设置采样时间和ADCCLK来设置实际需要的ADC转换时间。

8、具体实验总结

ADC使用一般步骤：

校准–>通道配置–>启动ADC –> 等待 ADC 转换完成–> 获取转换值

①单通道ADC采集实验(HAL库)

ADC：非扫描模式，单次转换模式，由软件触发。

1.实验相关寄存器

ADC_CR1寄存器(模式选择寄存器):

模式选择：双模式选择(此实验单通道选择独立模式)和扫描模式(此实验选择非扫描模式)

ADC_CR2寄存器：

EXTSEL[2:0]位用于选择规则组启动转换的外部事件触发源，本实验使用的是软件触发（SWSTART），所以这三个位置为 111。EXTTRIG 位必须置 1，EXTSEL[2:0]位才能选择软件触发（SWSTART），别漏了这步，否则设置软件触发会不成功。SWSTART 位用于启动一次规则组通道的转换。

ADC 采样事件寄存器x:

一般每个要转换的通道，采样时间建议尽量长一点，以获得较高的准确度，但是这样会降低 ADC 的转换速率。

2.重要结构体和函数

1.用于初始化 ADC

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Init(ADC_HandleTypeDef *hadc);

typedef struct { uint32_t DataAlign;                                     /* 设置数据的对齐方式 */

                         uint32_t ScanConvMode;                           /* 扫描模式 */

                         FunctionalState ContinuousConvMode;    /* 开启连续转换模式/单次转换模式 */

                         uint32_t NbrOfConversion;                         /* 设置转换通道数目 */

                         FunctionalState DiscontinuousConvMode; /* 是否使用规则通道组间断模式 */

                         uint32_t NbrOfDiscConversion;                  /* 配置间断模式的规则通道个数 */

                         uint32_t ExternalTrigConv;                          /* ADC 外部触发源选择 */ 、

  } ADC_InitTypeDef;

1) DataAlign：用于设置数据的对齐方式，这里可以选择右对齐或者是左对齐，该参数可选为： ADC_DATAALIGN_RIGHT 和 ADC_DATAALIGN_LEFT。

2) ScanConvMode：配置是否使用扫描。如果是单通道转换使用 ADC_SCAN_DISABLE，如果是多通道转换使用 ADC_SCAN_ENABLE。

3) ContinuousConvMode：可选参数为 ENABLE 和 DISABLE，配置自动连续转换还是单次转换。 使用 ENABLE 配置为使能自动连续转换；使用 DISABLE 配置为单次转换，转换一次后停止 需要手动控制才重新启动转换。

4) NbrOfConversion：指定规则组转换通道数目，范围是：1~16。

5) DiscontinuousConvMode：配置是否使用规则通道组间断模式，比如要转换的通道有 1、2、 5、7、8、9，那么第一次触发会进行通道 1 和 2，下次触发就是转换通道 5 和 7，这样不连续的转换，依次类推。此参数只有将 ScanConvMode 使能，还有 ContinuousConvMode 失能的情况下才有效，不可同时使能。

6) NbrOfDiscConversion：配置间断模式的通道个数，禁止规则通道组间断模式后，此参数忽略。

7) ExternalTrigConv：外部触发方式的选择，如果使用软件触发，那么外部触发会关闭。  本实验就使用软件触发的方式

2.首先调用 HAL_ADC_Init 函数配置了相关的功能后，再调用此函数进行 ADC 自校准功能

HAL_StatusTypeDef HAL_ADCEx_Calibration_Start(ADC_HandleTypeDef *hadc);

3.调用了 HAL_ADC_Init 函数配置了相关的功能后，就可以调用此函数配置 ADC 具体通道。

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_ConfigChannel(ADC_HandleTypeDef *hadc, ADC_ChannelConfTypeDef *sConfig);

4.当配置好 ADC 的基础的功能后，就调用此函数启动 ADC。

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef *hadc);

5.一般先调用 HAL_ADC_Start 函数启动转换，再调用该函数等待转换完成，然后再调用 HAL_ADC_GetValue 函数来获取当前的转换值。

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint32_t Timeout);

6.一般先调用 HAL_ADC_Start 函数启动转换，再调用 HAL_ADC_PollForConversion 函数等 待转换完成，然后再调用 HAL_ADC_GetValue 函数来获取当前的转换值

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef *hadc);

3.单通道ADC采集实验基本步骤

ADC句柄、ADC时钟结构体(用于设置ADC时钟)、GPIO句柄声明

1.开启ADCx时钟、开启GPIO(模拟量输入引脚)时钟

2.设置ADC时钟，GPIO引脚初始化(1.Pin 2.模拟模式)

3.ADC初始化

4.ADC校准

5.ADC通道配置(可自己写一个函数)

6.开启ADC、等待转换结束、获取转换结果

7.编写通道 ch 的转换值的平均函数

②单通道 ADC 采集（DMA 读取）实验

ADC：非扫描模式，连续转换模式，由软件触发。

DMA：正常模式，由软件触发。

1.单通道ADC采集(DMA读取)实验基本步骤

ADC、GPIO、DMA句柄声明

1.开启ADCx时钟、开启GPIO(模拟量输入引脚)时钟、DMA时钟

2.设置ADC时钟，GPIO引脚初始化(1.Pin 2.模拟模式)

3.DMA初始化  将DMA与外设连接起来(软件层面)

__HAL_LINKDMA(&g_adc_dma_handle, DMA_Handle, g_dma_adc_handle);

4.ADC初始化

5.ADC校准

6.ADC通道配置

7.设置ADC中断优先级(配置DMA数据流请求中断优先级，ADC_ADCX_DMACx_IRQn表示DMA1通道1的中断，如下面第一张图)

8.开启ADC和DMA(设置传输个数为0，实际开启由adc_dma_enable用寄存器开启)，开启DMA中断(如下图)

9.使能一次DMA传输函数(用寄存器操作)

10.中断服务子函数的编写

DMA1通道1传输完成后产生中断，中断标志由相关寄存器判断，如上第二张图。本实验采用判断标志位(传输指定个数数据后DMA中断)的方式，即DMA转运完成一次(传输ADC_DMA_BUF_SIZE个数据到目的数组g_adc_dma_buf[ADC_DMA_BUF_SIZE]中去，传输完成后产生中断，标记g_adc_dma_sta为1)，再对原始数据进行平均，显示，再清零标志位g_adc_dma_sta = 0，再次开启DMA转运，循环往复。

使用DMA采集与没有使用DMA采集的区别：

没有使用DMA而采用函数获取转换值，每次获取(获取之前已经设置好了ADC_init和ADC校准)都要设置ADC通道、开启ADC、等待ADC转换结束、获取转换值(如下图)。 根本区别在于不使用DMA转运每次要等待ADC转换结束后才可以用HAL_ADC_GetValue(&g_adc_handle)来获取ADC转换值，而使用DMA转运数据，ADC_DMA初始化(包括DMA_init，DMA与ADC连接，ADC_init，ADC校准，设置ADC通道，开启ADC，开启DMA)之后，ADC每转换完成一次就触发一次DMA转运，不需要考虑ADC是否已经转换完成。

③多通道ADC采集(DMA读取)实验

ADC：扫描模式(有多个通道)，连续转换模式，由软件触发。

DMA：正常模式，由软件触发。

DMA和ADC的配置:

与单通道ADC采集(DMA读取)实验的差别

1.因为是ADC多组通道，ADC模式是扫描模式。

2.DMA目的数组元素个数均为要采集通道数的整数倍。

实验其他注意点

1.DMA的传输计数器个数是通过对函数adc_dma_enable()传递参数cndtr来实现的      adc_dma_enable():使能一次ADC DMA传输。回顾一下DMA启动传输的条件：DMA_ENABLE,传输计数器不为0，有触发源。

2.DMA只使用了一个通道，ADC使用了6个通道。

3.DMA的数据源地址与目的地址是通过HAL_DMA_Start_IT()函数传递的。

4.该DMA传输是软件触发的(没有通过硬件触发)，ADC启停同步，保证数据的正确性。

④标准库相关实验

江科大ADC+DMA具体实验步骤：

AD多通道DMA配合转运数据

1.

ADC：扫描模式，单次转换，由软件触发

DMA：正常模式(非循环模式)，触发源为ADC1，DMA的通道不能任意选择(由相应硬件决定)

ADC启动之前就将DMA初始化以及将DMA的硬件触发通道打开，ADC转运完成一次就触发DMA一次

调用该函数，ADC开始转换，连续扫描4个通道，DMA也同步开始转运，转换数据依次存放在ADvalue数组。

主函数：

2.

ADC：扫描模式，连续转换，软件触发

DMA：循环模式，触发源为ADC1的硬件触发

ADC触发之后，ADC连续转换，DMA循环转运，两者一直工作，始终把最新的转换结果，刷新到SRAM数组里。

主函数：

本实验HAL库版本代码已更新。

3.

完全硬件自动化

定时器触发ADC—>ADC触发DMA转运。

欢迎提问讨论，共同进步，望诸君共勉！