STM32模數轉換器 (ADC)介紹

STM32F4xx系列提供的12位ADC是逐次逼近型模數轉換器。它具有多達 19 個復用通道，可測量來自 16 個外部源、兩個內部源和 V BAT 通道的信號。這些通道的 A/D 轉換可在單次、連續、掃描或不連續采樣模式下進行。ADC 的結果存儲在一個左對齊或右對齊的 16 位數據寄存器中。

ADC 具有模擬看門狗特性，允許應用檢測輸入電壓是否超過了用戶自定義的閾值上限或下限。

單個ADC框圖

ADC 引腳

ADC開關控制

可通過將ADC_CR2寄存器中的 ADON 位置1來為 ADC 供電。首次將 ADON 位置1時，會將ADC從掉電模式中喚醒。

SWSTART 或 JSWSTART 位置 1 時，啟動 AD 轉換。

可通過將 ADON 位清零來停止轉換并使 ADC 進入掉電模式。在此模式式下，ADC 幾乎不耗電（只有幾 μA）。

ADC時鐘

ADC 具有兩個時鐘方案：

● 用于模擬電路的時鐘：ADCCLK，所有 ADC 共用

此時鐘來自于經可編程預分頻器分頻的 APB2 時鐘，該預分頻器允許 ADC 在 f PCLK2 /2、/4、/6 或 /8 下工作。有關 ADCCLK 的最大值，請參見數據手冊。

● 用于數字接口的時鐘（用于寄存器讀/寫訪問）

此時鐘等效于 APB2 時鐘?？梢酝ㄟ^ RCC APB2 外設時鐘使能寄存器 (RCC_APB2ENR)分別為每個 ADC 使能/禁止數字接口時鐘。

通道選擇

有 16 條復用通道?？梢詫⑥D換分為兩組：規則轉換和注入轉換。每個組包含一個轉換序列，該序列可按任意順序在任意通道上完成。例如，可按以下順序對序列進行轉換：ADC_IN3、ADC_IN8、ADC_IN2、ADC_IN2、ADC_IN0、ADC_IN2、ADC_IN2、ADC_IN15。

● 一個規則轉換組最多由 16 個轉換構成。必須在 ADC_SQRx 寄存器中選擇轉換序列的規則通道及其順序。規則轉換組中的轉換總數必須寫入 ADC_SQR1 寄存器中的 L[3:0] 位。

● 一個注入轉換組最多由 4 個轉換構成。必須在 ADC_JSQR 寄存器中選擇轉換序列的注入通道及其順序。注入轉換組中的轉換總數必須寫入 ADC_JSQR 寄存器中的 L[1:0] 位。

如果在轉換期間修改 ADC_SQRx 或 ADC_JSQR 寄存器，將復位當前轉換并向 ADC 發送一個新的啟動脈沖，以轉換新選擇的組。

溫度傳感器、V REFINT 和 V BAT 內部通道

● 對于 STM32F40x 和 STM32F41x 器件，溫度傳感器內部連接到通道 ADC1_IN16。

內部參考電壓 VREFINT 連接到 ADC1_IN17。

● 對于 STM23F42x 和 STM32F43x 器件，溫度傳感器內部連接到與 VBAT 共用的通道

ADC1_IN18。一次只能選擇一個轉換（溫度傳感器或 VBAT）。同時設置了溫度傳感器和 VBAT 轉換時，將只進行 VBAT 轉換。

內部參考電壓 VREFINT 連接到 ADC1_IN17。

VBAT通道連接到通道ADC1_IN18。該通道也可轉換為注入通道或規則通道。

單次轉換模式

在單次轉換模式下， ADC 執行一次轉換 。CONT 位為 0 時，可通過以下方式啟動此模式：

● 將 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTART 位置 1（僅適用于規則通道）

● 將 JSWSTART 位置 1（適用于注入通道）

● 外部觸發（適用于規則通道或注入通道）

完成所選通道的轉換之后：

● 如果轉換了規則通道：

— 轉換數據存儲在 16 位 ADC_DR 寄存器中

— EOC（轉換結束）標志置 1

— EOCIE 位置 1 時將產生中斷

● 如果轉換了注入通道：

— 轉換數據存儲在 16 位 ADC_JDR1 寄存器中

— JEOC（注入轉換結束）標志置 1

— JEOCIE 位置 1 時將產生中斷

然后，ADC 停止。

連續轉換模式

在連續轉換模式下， ADC 結束一個轉換后立即啟動一個新的轉換 。CONT 位為 1 時，可通過外部觸發或將 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 來啟動此模式（僅適用于規則通道）。

每次轉換之后：

● 如果轉換了規則通道組：

— 上次轉換的數據存儲在 16 位 ADC_DR 寄存器中

— EOC（轉換結束）標志置 1

— EOCIE 位置 1 時將產生中斷

時序圖

ADC 在開始精確轉換之前需要一段穩定時間 t STAB 。ADC 開始轉換并經過 15 個時鐘周期后，EOC 標志置 1，轉換結果存放在 16 位 ADC 數據寄存器中。

掃描模式

此模式用于掃描一組模擬通道。

通過將 ADC_CR1 寄存器中的 SCAN 位置 1 來選擇掃描模式。將此位置 1 后，ADC 會掃描在 ADC_SQRx 寄存器（對于規則通道）或 ADC_JSQR 寄存器（對于注入通道）中選擇的所有通道。為組中的每個通道都執行一次轉換。每次轉換結束后，會自動轉換該組中的下一個通道。如果將 CONT 位置 1，規則通道轉換不會在組中最后一個所選通道處停止，而是再次從第一個所選通道繼續轉換。

如果將 DMA 位置 1，則在每次規則通道轉換之后，均使用直接存儲器訪問 (DMA) 控制器將轉換自規則通道組的數據（存儲在 ADC_DR 寄存器中）傳輸到 SRAM。在以下情況下，ADC_SR 寄存器中的 EOC 位置 1：

● 如果 EOCS 位清零，在每個規則組序列轉換結束時

● 如果 EOCS 位置 1，在每個規則通道轉換結束時

從注入通道轉換的數據始終存儲在 ADC_JDRx 寄存器中。

數據對齊

由于STM32的ADC是12位的，結果存儲在16位的數據寄存器中，有4位用不到，所以ADC存在左對齊或右對齊的方式。為方便讀數，一般都選擇右對齊。

可獨立設置各通道采樣時間

ADC 會在數個 ADCCLK 周期內對輸入電壓進行采樣，可使用 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2寄存器中的 SMP[2:0] 位修改周期數。每個通道均可以使用不同的采樣時間進行采樣。

總轉換時間的計算公式如下：

T conv = 采樣時間 + 12 個周期

快速轉換模式

可通過降低 ADC 分辨率來執行快速轉換。RES 位用于選擇數據寄存器中可用的位數。每種分辨率的最小轉換時間如下：

● 12 位：3 + 12 = 15 ADCCLK 周期

● 10 位：3 + 10 = 13 ADCCLK 周期

● 8 位：3 + 8 = 11 ADCCLK 周期

● 6 位：3 + 6 = 9 ADCCLK 周期

溫度傳感器和VRENFINT通道框圖

要使用傳感器，請執行以下操作：

1. 選擇 ADC1_IN16 或 ADC1_IN18 輸入通道。
2. 選擇一個采樣時間，該采樣時間要大于數據手冊中所指定的最低采樣時間。
3. 在 ADC_CCR 寄存器中將 TSVREFE 位置 1，以便將溫度傳感器從掉電模式中喚醒。
4. 通過將 SWSTART 位置 1（或通過外部觸發）開始 ADC 轉換
5. 讀取 ADC 數據寄存器中生成的 V SENSE 數據
6. 使用以下公式計算溫度：

溫度（單位為 °C）= {(V SENSE — V 25 ) / Avg_Slope} + 25

其中：

— V 25 = 25 °C 時的 V SENSE 值

— Avg_Slope = 溫度與 V SENSE 曲線的平均斜率（以 mV/°C 或 μV/°C 表示）

由于ADC寄存器的相關配置相對比較簡單，這里直接附上測量溫度相關的ADC初始化和中斷程序：

void ADC_Init()
{
  u32 prigroup = 0;                          
  u32 priority = 0;        

  RCC- >APB2ENR  |=  1< 8;    //開ADC1時鐘        

  ADC- >CCR  =  0;
  ADC- >CCR  |=  1< 23;    //使能溫度傳感器和 V REFINT 通道
  ADC- >CCR  |=  1< 16;    //ADCCLK=21mHZ

  ADC1- >CR1  =  0;//分辨率12位

  ADC1- >CR2  =  0;          //數據右對齊
  ADC1- >CR2  |=  1< 10;    //通道只要轉換結束，則將EOC置1，使能溢出檢測

  ADC1- >SMPR1  =0;          //通道16采樣時間3T

  ADC1- >SQR3  |=  16< 0;

  ADC1- >CR1  |=  1< 5;          //使能EOC中斷
  ADC1- >SR  &=~  (1< 1);        //清中斷標記33
  prigroup = NVIC_GetPriorityGrouping();        //得到優先級分組
  priority = NVIC_EncodePriority(prigroup,1,2);  //優先級編碼
  NVIC_SetPriority(ADC_IRQn,priority);        //設置中斷優先級
  NVIC_EnableIRQ(ADC_IRQn);                  //使能ADC中斷

  ADC1- >CR2  |=  1< 0;      //使能ADC
  Delay_us(3);
  ADC1- >CR2  |=  1< 30;  //啟動AD轉換
}


u16 ADC1_Value={0};      //定義二維數組，按行存入三個通道的轉換結束
u8 ADC1_OK = 0;


//中斷處理函數
void ADC_IRQHandler()
{
  if(ADC1- >SR  &  (1< 1))
  {      
    ADC1- >SR  &=~  (1< 1);        //寫0，請標記
    ADC1_Value = ADC1- >DR;    //按行依次存入各通道的轉換結果
    ADC1_OK  =  1;                //采集完成結束標記置1
  }
}

接著編寫主函數測試

#include "stm32f4xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "stdio.h"
#include "ADC.h"


extern u8 ADC1_OK;
extern u16 ADC1_Value;


int main()
{
  float wendu = 0; 

  NVIC_SetPriorityGrouping(7-2);
  Usart1_Init(115200);
  ADC_Init();


  while(1)
  {
    if(ADC1_OK == 1)
    {
      ADC1- >SR  &=~ (1< 1);      //清中斷標記
      ADC1_OK = 0;
      wendu = 3.3*ADC1_Value/4095;        //求溫度數字值對應的模擬電壓值
      wendu = (wendu -0.76)*1000/2.5+25;    //計算溫度值

      printf("溫度AD值：%drnwendu = %.lf°Crn",ADC1_Value,wendu);
      ADC1- >CR2  |=  1< 0;        //再次開啟ADC1
      Delay_us(3);
      ADC1- >CR2  |=  1< 30;      //觸發一次轉換
    }
    Delay_ms(1000);
  }
}

從串口可以看到ADC讀取的溫度值，ADC溫度測量成功。

對于電池電壓或者其他外部模擬量的測量，配置方法與溫度測量類似，這里不再贅述。如果想要讓CPU更多地用于算法或者其他功能的處理，同樣可以配置DMA進行數據傳輸。