ADC — 电压采集

本章参考资料：《STM32F4xx 中文参考手册》ADC章节。

1 、ADC 简介

　　STM32F429IGT6 有 3 个 ADC，每个 ADC有 12 位、10 位、8 位和 6 位可选，每个ADC有 16 个外部通道。另外还有两个内部 ADC源和 V BAT 通道挂在 ADC1 上。ADC具有独立模式、双重模式和三重模式，对于不同 AD 转换要求几乎都有合适的模式可选。ADC功能非常强大，具体的我们在功能框图中分析每个部分的功能。

2 、ADC功能框图剖析

单个ADC功能框图如下所示：

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。

①电压输入范围

　　ADC输入范围为：V REF- ≤ V IN ≤ V REF+ 。由 V REF- 、V REF+ 、V DDA 、V SSA 、这四个外部引脚决定。
　　我们在设计原理图的时候一般把 V SSA 和 V REF- 接地，把 V REF+ 和 V DDA 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就可以测量了。

若测量的电压超过0~3.3V，一个简单的处理办法为：处理后电压的输入范围为（-10V~10V）

 

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 19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 ADC1_IN16 连接到内部的 VSS，通道 ADC1_IN17 连接到了内部参考电压 V REFINT 连接，通道 ADC1_IN18 连接到了芯片内部的温度传感器或者备用电源 V BAT 。ADC2 和 ADC3 的通道 16、17、18 全部连接到了内部的 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。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。

③转换顺序

规则序列

　　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[2:0]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。

 

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还支持外部事件触发转换，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。

　　如果使能了外部触发事件，我们还可以通过设置 ADC控制寄存器 2:ADC_CR2 的EXTEN[1:0]和 JEXTEN[1:0]来控制触发极性，可以有 4 种状态，分别是：禁止触发检测、上升沿检测、下降沿检测以及上升沿和下降沿均检测。

⑤转换时间

ADC  时钟

　　　　ADC输入时钟 ADC_CLK 由 PCLK2 经过分频产生，最大值是 36MHz，典型值为30MHz，分频因子由 ADC通用控制寄存器 ADC_CCR的 ADCPRE[1:0]设置，可设置的分频系数有 2、4、6和 8，注意这里没有 1 分频。对于 STM32F429IGT6 我们一般设置

PCLK2=HCLK/2=90MHz。所以程序一般使用 4 分频或者 6 分频。

 

 

 

采样时间　　

　　ADC需要若干个 ADC_CLK 周期完成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 0~9，ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。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 3 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 3 个周期，这里说的周期就是 1/ADC_CLK。
　　ADC的总转换时间跟 ADC 的输入时钟和采样时间有关，公式为：
　　　　Tconv = 采样时间 + 12 个周期
　　当 ADCCLK = 30MHz，即 PCLK2 为 60MHz，ADC时钟为 2 分频，采样时间设置为 3个周期，那么总的转换时为：Tconv = 3 + 12 = 15 个周期 =0.5us。

　　一般我们设置 PCLK2=90MHz，经过 ADC预分频器能分频到最大的时钟只能是 22.5M，采样周期设置为 3 个周期，算出最短的转换时间为 0.6667us，这个才是最常用的。

 

 

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。如果是使用双重或者三重模式那规矩组的数据是存放在通用规矩寄存器 ADC_CDR 内的。 

规则数据寄存器 ADC_DR　　

　　ADC规则组数据寄存器 ADC_DR只有一个，是一个 32 位的寄存器，只有低 16位有效并且只是用于独立模式存放转换完成数据。因为 ADC的最大精度是 12 位，ADC_DR是16 位有效，这样允许 ADC存放数据时候选择左对齐或者右对齐，具体是以哪一种方式存放，由 ADC_CR2 的 11位 ALIGN 设置。假如设置 ADC精度为 12 位，如果设置数据为左对齐，那 AD 转换完成数据存放在 ADC_DR 寄存器的[4:15]位内；如果为右对齐，则存放在 ADC_DR寄存器的[0:11]位内。
　　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。
　　如果没有使用 DMA传输，我们一般都需要使用 ADC状态寄存器 ADC_SR获取当前ADC转换的进度状态，进而进行程序控制。

注入数据寄存器 ADC_JDRx

 

　　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。

通用规则数据寄存器 ADC_CDR 

 

　　规则数据寄存器 ADC_DR 是仅适用于独立模式的，而通用规则数据寄存器 ADC_CDR是适用于双重和三重模式的。独立模式就是仅仅适用三个 ADC的其中一个，双重模式就是同时使用 ADC1和 ADC2，而三重模式就是三个 ADC同时使用。在双重或者三重模式下一般需要配合 DMA数据传输使用。

 

⑦中断

 

1. 转换结束中断　　

　　数据转换结束后，可以产生中断，中断分为四种：规则通道转换结束中断，注入转换通道转换结束中断，模拟看门狗中断和溢出中断。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。

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，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。

 

 3.溢出中断

 　　如果发生 DMA传输数据丢失，会置位 ADC状态寄存器 ADC_SR 的 OVR位，如果同时使能了溢出中断，那在转换结束后会产生一个溢出中断。

4.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。对于独立模式的多通道 AD 转换使用 DMA 传输非常有必要，程序编程简化了很多。对于双重或三重模式使用 DMA传输几乎可以说是必要的。有关DMA请求需要配合《STM32F4xx 中文参考手册》DMA控制器这一章节来学习。一般我们在使用 ADC的时候都会开启 DMA传输。

⑧电压转换

　　模拟电压经过 ADC转换后，是一个相对精度的数字值，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，如果设置ADC 为 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 stm32f4xx_xxx.h文件中，库函数 xxx_Init 定义在 stm32f4xx_xxx.c文件中，编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。