第24章 ADC介绍
第二十四章 ADC介绍
1. ADC功能框图剖析
掌握了ADC的功能框图,就可以对ADC有一个整体的把握,在编程的时候可以做到了然如胸,不会一知半解。 框图讲解采用从左到右的方式,跟ADC采集数据,转换数据,传输数据的方向大概一致。
2.1 电压输入范围
ADC输入范围为:VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由VREF-、 VREF+ 、VDDA 、VSSA这四个外部引脚决定。
我们在设计原理图的时候一般把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。
如果我们想让输入的电压范围变宽,去到可以测试负电压或者更高的正电压,我们可以在外部加一个电压调理电路, 把需要转换的电压抬升或者降压到0~3.3V,这样ADC就可以测量。
2.2 输入通道
我们确定好ADC输入电压之后,那么电压怎么输入到ADC?这里我们引入通道的概念,STM32的ADC多达18个通道, 其中外部的16个通道就是框图中的ADCx_IN0、ADCx_IN1…ADCx_IN5。这16个通道对应着不同的IO口,具体是哪一个IO口可以从手册查询到。 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。ADC3的模拟通道9、14、15、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。那这两个通道有什么区别?在什么时候使用?
- 规则通道
规则通道:顾名思意,规则通道就是很规矩的意思,我们平时一般使用的就是这个通道,或者应该说我们用到的都是这个通道,没有什么特别要注意的可讲。
- 注入通道
注入,可以理解为插入,插队的意思,是一种不安分的通道。它是一种在规则通道转换的时候强行插入要转换的一种通道。 如果在规则通道转换过程中,有注入通道插队,那么就要先转换完注入通道,等注入通道转换完成后,再回到规则通道的转换流程。 这点跟中断程序很像,都是不安分的主。所以,注入通道只有在规则通道存在时才会出现。
2.3 转换顺序
- 规则顺序
规则序列寄存器有3个,分别为SQR3、SQR2、SQR1。SQR3控制着规则序列中的第一个到第六个转换, 对应的位为:SQ1[4:0]~SQ6[4:0],第一次转换的是位4:0 SQ1[4:0],如果通道16想第一次转换,那么在SQ1[4:0]写16即可。 SQR2控制着规则序列中的第7到第12个转换, 对应的位为:SQ7[4:0]~SQ12[4:0],如果通道1想第8个转换,则SQ8[4:0]写1即可。SQR1控制着规则序列中的第13到第16个转换, 对应位为:SQ13[4:0]~SQ16[4:0],如果通道6想第10个转换,则SQ10[4:0]写6即可。 具体使用多少个通道,由SQR1的位L[3:0]决定,最多16个通道。
- 注入序列
注入序列寄存器JSQR只有一个,最多支持4个通道,具体多少个由JSQR的JL[1:0]决定。如果JL的 值小于4的话, 则JSQR跟SQR决定转换顺序的设置不一样,第一次转换的不是JSQR1[4:0],而是JCQRx[4:0] ,x = 4-JL),跟SQR刚好相反。 如果JL=00(1个转换),那么转换的顺序是从JSQR4[4:0]开始,而不是从JSQR1[4:0]开始,这个要注意,编程的时候不要搞错。当JL等于4时,跟SQR一样。
2.4 触发源
通道选好了,转换的顺序也设置好了,那接下来就该开始转换了。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。
除了这种庶民式的控制方法,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。触发源有很多,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。EXTSEL[2:0]用于选择规则通道的触发源, JEXTSEL[2:0]用于选择注入通道的触发源。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。 其中ADC3的规则转换和注入转换的触发源与ADC1/2的有所不同,在框图上已经表示出来。
2.5 转换时间
- 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。
- 采样时间
ADC使用若干个ADC_CLK周期对输入的电压进行采样, 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09,ADC_SMPR1控制的是通道1017。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是1.5个, 即如果我们要达到最快的采样,那么应该设置采样周期为1.5个周期,这里说的周期就是1/ADC_CLK。
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。
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,这个才是最常用的。
2.6 数据寄存器
一切准备就绪后,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。
- 规则数据寄存器
ADC规则组数据寄存器ADC_DR只有一个,是一个32位的寄存器,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。
- 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。 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。
2.7 中断
- 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。 其中转换结束中断很好理解,跟我们平时接触的中断一样,有相应的中断标志位和中断使能位,我们还可以根据中断类型写相应配套的中断服务程序。
- 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, 其中低阈值和高阈值由ADC_LTR和ADC_HTR设置。例如我们设置高阈值是2.5V,那么模拟电压超过2.5V的时候,就会产生模拟看门狗中断,反之低阈值也一样。
- 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。
2.8 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, 也可以跟实际的模拟电压(用万用表测)对比,看看转换是否准确。
我们一般在设计原理图的时候会把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。
3. ADC初始化结构体详解
标准库函数对每个外设都建立了一个初始化结构体xxx_InitTypeDef(xxx为外设名称),结构体成员用于设置外设工作参数, 并由标准库函数xxx_Init()调用这些设定参数进入设置外设相应的寄存器,达到配置外设工作环境的目的。
结构体xxx_InitTypeDef和库函数xxx_Init配合使用是标准库精髓所在,理解了结构体xxx_InitTypeDef每个成员意义基本上就可以对该外设运用自如了。 结构体xxx_InitTypeDef定义在stm32f10x_xxx.h文件中,库函数xxx_Init定义在stm32f10x_xxx.c文件中,编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。
- ADC_InitTypeDef结构体
ADC_InitTypeDef结构体定义在stm32f10x_adc.h文件内,具体定义如下:
typedef struct
{
uint32_t ADC_Mode; // ADC 工作模式选择
FunctionalState ADC_ScanConvMode; /* ADC 扫描(多通道)
或者单次(单通道)模式选择 */
FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; // ADC 单次转换或者连续转换选择
uint32_t ADC_ExternalTrigConv; // ADC 转换触发信号选择
uint32_t ADC_DataAlign; // ADC 数据寄存器对齐格式
uint8_t ADC_NbrOfChannel; // ADC 采集通道数
} ADC_InitTypeDef;
ADC_Mode:配置ADC的模式,当使用一个ADC时是独立模式,使用两个ADC时是双模式,在双模式下还有很多细分模式可选,我们一般使用一个ADC的独立模式。
ScanConvMode:可选参数为ENABLE和DISABLE,配置是否使用扫描。如果是单通道AD转换使用DISABLE,如果是多通道AD转换使用ENABLE。
ADC_ContinuousConvMode:可选参数为ENABLE和DISABLE,配置是启动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。一般设置为连续转换。
ADC_ExternalTrigConv:外部触发选择,框图图中列举了很多外部触发条件, 可根据项目需求配置触发来源。实际上,我们一般使用软件自动触发。
ADC_DataAlign:转换结果数据对齐模式,可选右对齐ADC_DataAlign_Right或者左对齐ADC_DataAlign_Left。一般我们选择右对齐模式。
ADC_NbrOfChannel:AD转换通道数目,根据实际设置即可。
3.1 例子:配置 ADC 进行多通道扫描转换
假设我们需要采集两个通道(例如,PA0 和 PA1),以连续模式运行,并使用定时器作为触发信号。
#include "stm32f4xx.h"
void ADC_Config(void) {
ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
// 使能 ADC 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
// 配置 ADC 初始化结构体
ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = ENABLE; // 启用扫描模式
ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // 启用连续转换模式
ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1; // 定时器1触发
ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 2; // 采集两个通道
// 初始化 ADC
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
// 配置通道
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_3Cycles);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_3Cycles);
// 启动 ADC
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
// 启动定时器(假设已配置好)
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
}
int main(void) {
ADC_Config();
while (1) {
// 主循环中可以读取 ADC 数据
uint16_t value1 = ADC_GetConversionValue(ADC1); // 获取通道0的值
uint16_t value2 = ADC_GetConversionValue(ADC1); // 获取通道1的值
// 处理数据...
}
}
3.2 说明
- ADC_Mode 设置为独立模式,表示该 ADC 独立工作。
- ADC_ScanConvMode 和 ADC_ContinuousConvMode 启用扫描和连续模式,使 ADC 自动切换并持续读取通道。
- ADC_ExternalTrigConv 使用定时器1的比较匹配事件作为转换触发源。
- ADC_DataAlign 设置数据右对齐,以便于后续数据处理。
- ADC_NbrOfChannel 设置为2,表示我们将采集两个通道。
这样配置后,ADC 将根据定时器的触发信号,自动读取 PA0 和 PA1 的值。
2024.9.19 第一次修订,后期不再维护
2025.1.30 简化
本文作者:hazy1k
本文链接:https://www.cnblogs.com/hazy1k/p/18420637
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