STM32 ADC模拟/数字转换详解

一、ADC的简介

PWM—》实际上就是使用DAC（数字–>模拟）。因为PWM只有完全断开和完全接通，所以在大功率电机中损耗很小，所以使用PWM比较合适。

1.什么是ADC

1）将【电信号】–>【电压】–>【数字量】

2）ADC可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字量，建立模拟电路到数字电路的桥梁。

3）12位逐次逼近型ADC，1us转换时间（表示从产生电压到转换得出结果所使用的时间）

2.常见的ADC

3.并联比较型工作示意图

1）比较器：当两个数值相同时才会生成信号传输给编码器

2）D0,D1,D2（从低位–》高位）—》二进制数（分辨率）—》2^3

4.逐次逼近型工作示意图（DAC工作原理）

如果是n位的锁存缓冲器（数码控制器），就需要进行n次的判断

逐次逼近：就是如果是12位的DAC转换，则我们先将DAC赋值为2^12的一半，然后逐次的按照一半递减（增加）。所以12位DAC转换就需要比较12次。

如果DAC输出的电压比较小，就增大DAC

如果DAC输出的电压比较大，就减小DAC

直到DAC输出的电压和外部通道输入的电压近似相等。 

5.ADC特性参数

1.分辨率：刻度划分

表示ADC能分辨的最小模拟量，用二进制位数进行表示，比如；8，10，12

比如此时电压为3.3V，我们使用12位进行表示   2^12=4096   3.3%4096=0.0008V,表示当数字量为1的时候，输出电压为0.0008V。

输入电压范围：0-3.3V，转换结果范围：0-4095（2^12）

2.转换时间

表示完成一次A/D转换所需要的时间，转换时间越短，采用频率就越高

假设1s的时间中转换时间为200ms，则表示可以转换5次

3.精度：物理量的精确程度

4.量化误差

6.STM32各系列ADC主要特性

7.ADC基本结构

二、ADC工作原理

1.ADC框图简介

1.参考电压/模拟部分电压

1） 输入电压的范围在参考电压的两个范围之间。

2）Vref+和Vref-分别接着Vdda（3.3V）和Vssa（0V）

2.输入通道

输入的GPIO必须具有模拟输入功能的IO口才可以。

GPIO通道：快速通道VS慢速通道

内部ADC源直接绑定，外部ADC绑定GPIO

18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源（温度传感器 && 内部的参考电压）

 ADC1和ADC2两个的通道都使用同一个引脚。—->双ADC

3.转换序列（转换顺序）

1）转换被组织分为2组：规则组&&注入组【注入组可以打断规则组的转换】

2）规则组最多可以有16个转换（通道），注入组最多有4个转换（通道）

 规则组和注入组执行优先级对比

注入组（类似于中断）的优先级比规则组的优先级高

规则序列:（regular channel）

1）规则组有16个通道

2）这里的意思理解为，有16个规则通道，即为16个规则的不同编号的盘子，每个盘子可以放18个通道即为GPIO其中的一个口

3）必须按顺序来执行（如果想要执行通道3，则通道1和通道2都要执行）

4）我们有3个ADC，表示可以设置3个最高的优先级【可以同步进行】

5）一个菜单，可以点16个菜，也可以只写一个菜。【同时上16个菜，但是只能一个一个上（因为只有一个寄存器），否则前面会被覆盖—>所以我们使用DMA】

注入序列:（injected channel)

1）注入组有4个通道

2）注入组的寄存器写入位是反向写入的

3）一次性最多可以点4个菜，且可以同时上4个菜，不会被覆盖【因为有4个寄存器】

4.触发源

1）触发转换分为：a.ADON位触发转换  b.外部事件触发转换（规则组和注入组）

规则组外部触发

注入组外部触发

5.转换时间

如何设置ADC时钟？

1）ADCCLK的最大时钟频率是：14MHZ

如何设置ADC转换时间

1）ADC中的最短转换时间为：1us【在ADC时钟频率为：14MHZ，采样时间为1.5个ADC时钟周期，12.5个周期（固定值–>12位寄存器）的情况下】

2）采样时间（可以进行编程的）越大，就可以尽量避免毛刺信号的干扰，精确度越高

6.数据寄存器

规则组只有一个寄存器，注入组有四个寄存器。在没有DMA的帮助下，规则组只能一次输入ADC，如果多几个，会被覆盖。

数据对齐

7.中断

DMA请求（只适用于规则组）

规则组每一个通道转换结束后，除了可以产生中断外，还可以产生DMA请求，我们利用DMA及时把转换好的数据传输到指定的内存中，防止数据被覆盖。

2.单次转换模式VS连续转换模式

单次转换模式：如果我们不需要实时检测，则使用单次

连续转换模式：如果需要实时检测，则使用连续

3.转换/扫描模式

关闭扫描模式：只能扫描第一个通道

使用扫描模式：表示扫描全部通道

连续是一个通道多次采集，扫描是每个通道依次采集

不同模式组合的作用

扫描：切换通道(遍历)，连续：多次

单次转换，非扫描模式 

 单次转换，扫描模式

连续转换，非扫描模式 

连续转换模式 

4.ADC校准

如果需要使用到精确计算，则需要校准

影响ADC转换的因素：

1）温飘（温度影响）

2）基准电压值

	/*ADC校准
	1）先重置校准位：ADC_ResetCalibration	-->重置所选ADC校准寄存器。
	2）判断校准位是否被清除:	ADC_GetResetCalibrationStatus-->	获取所选ADC复位校准寄存器状态。
	3）进行ADC校准: ADC_StartCalibration--->启动选定的ADC校准过程。
	4）判断校准是否完成: ADC_GetCalibrationStatus-->获取所选ADC校准状态
	*/
	ADC_ResetCalibration(ADC1);								//固定流程，内部有电路会自动执行校准
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//判断是否校准完成【1表示未完成校准】
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);

5.ADC与低功耗

外部引脚输入也会耗电—>采样时间

采样间隔周期

要采样则唤醒，不需要就进入睡眠。

 三、ADC采集实验

1.实验简要

2.寄存器描述

1.ADC控制寄存器 1(ADC_CR1)

2.ADC控制寄存器 2(ADC_CR2)

3.ADC采样时间寄存器 1(ADC_SMPR1)

通道10-通道17的设置

4.ADC采样时间寄存器 2(ADC_SMPR2)

通道0-通道9的设置

5.ADC规则序列寄存器 1(ADC_SQR1)

设置第13-第16个转换

6.ADC规则序列寄存器 2(ADC_SQR2)

设置通道12-通道7

7.ADC规则序列寄存器 3(ADC_SQR3)

设置通道6-通道0

8.ADC规则数据寄存器(ADC_DR)

9.ADC状态寄存器(ADC_SR)

3.ADC采集实验配置步骤

相关HAL库介绍

关键结构体介绍

ADC句柄

ADC通道设置

四、AD单通道

1.硬件接线

通过控制接入的阻值来读取引脚上的电压值，来输出模拟信号

2.代码编写

1）ADC输入的通道对应的是GPIO的AIN（模拟输入）模式。

2）我们在使用【ADC_GetConversionValue】的时候，内部会读取DR寄存器的值，而读取DR寄存器的值会自动清除EOC标志【所以我们在后面不需要手动清除】

adc.c

/**
  * 函    数：AD初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void AD_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);	//开启ADC1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
	
	/*设置ADC时钟*/
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);						//选择时钟6分频，ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //模拟输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA0引脚初始化为模拟输入
	
	/*规则组通道配置*/
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);		//规则组序列1的位置，配置为通道0
	
	/*ADC初始化*/
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;						//定义结构体变量
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;		//模式，选择独立模式，即单独使用ADC1
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	//数据对齐，选择右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	//外部触发，使用软件触发，不需要外部触发
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;		//连续转换，失能，每转换一次规则组序列后停止
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;			//扫描模式，失能，只转换规则组的序列1这一个位置
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;					//通道数，为1，仅在扫描模式下，才需要指定大于1的数，在非扫描模式下，只能是1
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);						//将结构体变量交给ADC_Init，配置ADC1
	
	/*ADC使能*/
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);									//使能ADC1，ADC开始运行
	
	/*ADC校准
	1）先重置校准位：ADC_ResetCalibration	-->重置所选ADC校准寄存器。
	2）判断校准位是否被清除:	ADC_GetResetCalibrationStatus-->	获取所选ADC复位校准寄存器状态。
	3）进行ADC校准: ADC_StartCalibration--->启动选定的ADC校准过程。
	4）判断校准是否完成: ADC_GetCalibrationStatus-->获取所选ADC校准状态
	*/
	ADC_ResetCalibration(ADC1);								//固定流程，内部有电路会自动执行校准
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//判断是否校准完成【1表示未完成校准】
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

/**
  * 函    数：获取AD转换的值
  * 参    数：无
  * 返 回 值：AD转换的值，范围：0~4095
  */
uint16_t AD_GetValue(void)
{
	//启用或禁用所选ADC软件启动转换
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);					//软件触发AD转换一次
	//判断ADC转换是否完成
	/**
	上面我们设置了【将时钟进行RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);	6分频--->则我们最后的结果为72 MHZ / 6= 12
	然后我们设置ADC采用频率为【ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5)；55个时间周期，整个周期--->12.5+55=68个周期】
	则我们需要的时间是--->f=1/T=1/12 --》时间=f*周期=1/12*68=5.6us
	*/	
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);	//等待EOC标志位，即等待AD转换结束
	//获取转换值
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);					//读数据寄存器，得到AD转换的结果
}

main.c

uint16_t ADValue;			//定义AD值变量
float Voltage;				//定义电压变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();			//OLED初始化
	AD_Init();				//AD初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");
	OLED_ShowString(2, 1, "Voltage:0.00V");
	
	while (1)
	{
		ADValue = AD_GetValue();					//获取AD转换的值
		Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;		//将AD值线性变换到0~3.3的范围，表示电压
		
		OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);				//显示AD值
		OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);				//显示电压值的整数部分
		OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2);	//显示电压值的小数部分
		
		Delay_ms(100);			//延时100ms，手动增加一些转换的间隔时间
	}
}

五、AD多通道

1.硬件接线

2.代码编写

ad.c

/**
  * 函    数：AD初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void AD_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);	//开启ADC1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
	
	/*设置ADC时钟*/
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);						//选择时钟6分频，ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA0、PA1、PA2和PA3引脚初始化为模拟输入
	
	/*不在此处配置规则组序列，而是在每次AD转换前配置，这样可以灵活更改AD转换的通道*/
	
	/*ADC初始化*/
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;						//定义结构体变量
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;		//模式，选择独立模式，即单独使用ADC1
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	//数据对齐，选择右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	//外部触发，使用软件触发，不需要外部触发
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;		//连续转换，失能，每转换一次规则组序列后停止
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;			//扫描模式，失能，只转换规则组的序列1这一个位置
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;					//通道数，为1，仅在扫描模式下，才需要指定大于1的数，在非扫描模式下，只能是1
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);						//将结构体变量交给ADC_Init，配置ADC1
	
	/*ADC使能*/
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);									//使能ADC1，ADC开始运行
	
	/*ADC校准*/
	ADC_ResetCalibration(ADC1);								//固定流程，内部有电路会自动执行校准
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

/**
  * 函    数：获取AD转换的值
  * 参    数：ADC_Channel 指定AD转换的通道，范围：ADC_Channel_x，其中x可以是0/1/2/3
  * 返 回 值：AD转换的值，范围：0~4095
  */
uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel)
{
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);	//在每次转换前，根据函数形参灵活更改规则组的通道1
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);					//软件触发AD转换一次
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);	//等待EOC标志位，即等待AD转换结束
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);					//读数据寄存器，得到AD转换的结果
}

main.c

uint16_t AD0, AD1, AD2, AD3;	//定义AD值变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();				//OLED初始化
	AD_Init();					//AD初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "AD0:");
	OLED_ShowString(2, 1, "AD1:");
	OLED_ShowString(3, 1, "AD2:");
	OLED_ShowString(4, 1, "AD3:");
	
	while (1)
	{
		AD0 = AD_GetValue(ADC_Channel_0);		//单次启动ADC，转换通道0
		AD1 = AD_GetValue(ADC_Channel_1);		//单次启动ADC，转换通道1
		AD2 = AD_GetValue(ADC_Channel_2);		//单次启动ADC，转换通道2
		AD3 = AD_GetValue(ADC_Channel_3);		//单次启动ADC，转换通道3
		
		OLED_ShowNum(1, 5, AD0, 4);				//显示通道0的转换结果AD0
		OLED_ShowNum(2, 5, AD1, 4);				//显示通道1的转换结果AD1
		OLED_ShowNum(3, 5, AD2, 4);				//显示通道2的转换结果AD2
		OLED_ShowNum(4, 5, AD3, 4);				//显示通道3的转换结果AD3
		
		Delay_ms(100);			//延时100ms，手动增加一些转换的间隔时间
	}
}

四、使用CubeMX创建ADC和DMA

将外部0-3.3V的模拟信号接入到单片机底座脚P11（PA1）口

1.CubeMX使用

因为ADC1和ADC2所使用的通道对应的GPIO引脚是一致的，所以使用ADC1或者ADC2都可以。

0.其他相关设置

1）选择外部晶振

2）启动DMA

1.通道选择

2.中断选择

此时我们的实验是将从ADC获取到的模拟信号通过转换为电压传输给DAM，然后DMA在通知CPU。

1）ADC不需要中断：因为当ADC采样到的结果直接丢给DMA，而不需要停下来告诉DMA，ADC不需要考虑是否传输成功。因为他们两个之间有专门的传输通道。

2）DMA需要中断：因为当接收到ADC传输过来的数据后，DMA需要告诉CPU，我接收到ADC的数据了。

3.ADC中的DMA Setting

绑定ADC

我们一般要将结果计算出来，我们都会多测量几次，然后求平均值，所以我们的Memory地址要递增，要不然会将上一个数据覆盖掉。

4.ADC中的Parameter Settings

5.总结

本实验使用了APB2（ADC1的时钟频率为14MhZ）

使用了ADC1的通道1，测试外部0-3.3V的模拟信号

2.代码编写

3.MDA 中​​​​​​断处理的内部逻辑

1.HAL_ADC_Start_DMA

这个函数实际上是ADC中的函数，通过DMA来传输ADC数据

ADC传输完的中断入口

2.HAL_DMA_Start_IT

设置DMA中断的相关事宜

3.DMA_SetConfig

完成DMA和DAC之间的联系

4.HAL_ADC_ConvCpltCallback

DMA中断实际上是调用了ADC【HAL_ADC_ConvCpltCallback】—>真正的中断回调函数

如果想要在中断中处理什么，就重写这个函数

5.DMA1_Channel1_IRQHandler

我们往里面查看发现并没有什么真正有执行的代码

      /* Half transfer callback */
      hdma->XferHalfCpltCallback(hdma);

      /* Transfer complete callback */
      hdma->XferCpltCallback(hdma);

分析可知【HAL_UART_IRQHandler】实际上并没有做什么

五、STM32随机数生成器

1.什么是随机数

1.真正的随机数

2.伪随机数

2.随机数的生成

1.用纯软件算法

伪随机数生成算法 – shine-lee – 博客园 (cnblogs.com)

2.采集随机事件为元素生成

3.用Soc内置伪随机数发生模块生成：使用硬件方法【HAL_RNG】