STM32急救速成——ADC采集：配置、校准、电压换算与进阶技巧
STM32急救速成——ADC采集：配置、校准、电压换算与进阶技巧
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文章目录
ADC：从模拟信号到数字信号的桥梁
ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）是嵌入式系统中不可或缺的重要外设，它承担着将连续变化的模拟信号转换为数字信号的关键任务。举个例子，当我们想要测量某个电阻两端的电压时，这个电压信号本身是模拟量，而单片机作为数字处理器无法直接读取这类连续变化的信号。这时候，ADC就扮演了翻译官的角色，它能够将模拟电压值转换为对应的数字量，使得单片机能够识别并进行后续处理和分析。
ADC的用途：连接现实与数字世界的关键
ADC的核心作用在于搭建起模拟世界与数字系统之间的桥梁。它能够将诸如电压、温度、压力等连续变化的模拟信号，转换为单片机或其他处理器可以识别和处理的数字信号。这一功能使得ADC广泛应用于各种需要实时监测物理量的场景，例如温度监测系统、电流检测电路、光线感应控制等。无论是工业控制、消费电子还是物联网设备，ADC都扮演着不可或缺的角色，其用途之广，几乎涵盖了所有需要与模拟世界交互的嵌入式应用领域。
STM32F103ZET6的ADC资源详解
STM32F103ZET6内置了3个12位精度的ADC模块，总共提供18个采集通道，其中包括16个外部信号通道和2个内部信号源通道。这些ADC支持多种工作模式，用户可根据需要配置为单次转换、连续转换、扫描模式或间断采样模式。转换结果支持以左对齐或右对齐的方式存储在16位数据寄存器中，便于程序读取和处理。需要注意的是，ADC模块的输入时钟频率不得超过14MHz，该时钟由APB2总线时钟（PCLK2）经过分频后产生，在实际配置时应特别注意分频系数的设置。
1. ADC通道与引脚对应关系
STM32F103ZET6的ADC通道与具体引脚对应关系如下表所示。需要注意的是，多个ADC的同一通道可能复用了同一个GPIO引脚，在实际使用中需根据具体需求进行配置。
| 通道 | ADC1 | ADC2 | ADC3 |
|---|---|---|---|
| 通道0 | PA0 | PA0 | PA0 |
| 通道1 | PA1 | PA1 | PA1 |
| 通道2 | PA2 | PA2 | PA2 |
| 通道3 | PA3 | PA3 | PA3 |
| 通道4 | PA4 | PA4 | PA4 |
| 通道5 | PA5 | PA5 | PA5 |
| 通道6 | PA6 | PA6 | PA6 |
| 通道7 | PA7 | PA7 | PA7 |
| 通道8 | PB0 | PB0 | PB0 |
| 通道9 | PB1 | PB1 | PB1 |
| 通道10 | PC0 | PC0 | PC0 |
| 通道11 | PC1 | PC1 | PC1 |
| 通道12 | PC2 | PC2 | PC2 |
| 通道13 | PC3 | PC3 | PC3 |
| 通道14 | PC4 | PC4 | PC4 |
| 通道15 | PC5 | PC5 | PC5 |
| 通道10 | 内部温度传感器 | ||
| 通道10 | 内部参考电压VREF |
2. ADC时钟配置
ADC输入时钟ADC_CLK由APB2总线时钟分频产生，其最大允许值为14MHz。在库函数开发中，可通过以下函数设置分频系数：
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)
可选的分频系数定义如下：
#define RCC_PCLK2_Div2 ((uint32_t)0x00000000)
#define RCC_PCLK2_Div4 ((uint32_t)0x00004000)
#define RCC_PCLK2_Div6 ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_PCLK2_Div8 ((uint32_t)0x0000C000)
由于APB2总线时钟通常为72MHz，而ADC最高工作频率为14MHz，一般推荐选择6分频，使ADC时钟频率为12MHz，在满足性能要求的同时留有一定余量。
3. ADC工作模式
STM32F1系列ADC支持三种主要工作模式：
- 单次转换模式：在该模式下，ADC仅执行一次转换操作。可以通过设置ADC_CR2寄存器的ADON位（仅规则通道）或通过外部触发（规则通道或注入通道）来启动转换，此时CONT位应设置为0。
- 连续转换模式：在此模式下，ADC完成一次转换后会立即启动下一次转换。可通过外部触发或设置ADC_CR2寄存器的ADON位来启动，需要将CONT位置1。
- 扫描模式：该模式下ADC会自动按预置顺序转换一组通道，适用于需要循环采集多路信号的场景。
4. ADC转换时间
ADC的总转换时间由采样时间和固定转换周期组成，计算公式为：总转换时间 = 采样时间 + 12.5个周期。其中采样时间可配置，最短为1.5个周期，因此最短总转换时间为14个时钟周期。
使用软件触发时，可通过以下参数配置采样时间：
#define ADC_SampleTime_1Cycles5 ((uint8_t)0x00)
#define ADC_SampleTime_7Cycles5 ((uint8_t)0x01)
#define ADC_SampleTime_13Cycles5 ((uint8_t)0x02)
#define ADC_SampleTime_28Cycles5 ((uint8_t)0x03)
#define ADC_SampleTime_41Cycles5 ((uint8_t)0x04)
#define ADC_SampleTime_55Cycles5 ((uint8_t)0x05)
#define ADC_SampleTime_71Cycles5 ((uint8_t)0x06)
#define ADC_SampleTime_239Cycles5 ((uint8_t)0x07)
5. ADC校准流程
使能ADC后，必须进行校准以确保转换精度。使用标准库开发时，可通过以下代码完成校准：
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 重置指定ADC的校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待重置完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始ADC校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待校准完成
6. ADC转换结果与实际电压换算
ADC转换得到的原始值（AD值）为数字量，需通过换算得到实际电压值。STM32的ADC为12位分辨率，因此AD值范围为04095（2^12-1），对应的电压范围通常为03.3V（参考电压VREF+）。
换算公式为：
实际电压值 = (AD值 / 4095) * 3.3
其中，AD值为ADC转换得到的数字量读数，实际电压值的单位为伏特(V)。例如，当AD值为2048时，对应的电压值约为1.65V。
ADC配置步骤详解
要完成STM32 ADC模块的配置和使用，需要按照以下步骤有序进行：
首先，需要使能相关GPIO端口和ADC模块的时钟，并将用于ADC采集的引脚设置为模拟输入模式，这是信号能够正确输入到ADC的前提。
接下来，根据系统时钟频率配置ADC的分频因子，确保ADC时钟不超过14MHz的最大限制，通常选择6分频使时钟工作在12MHz。
然后，初始化ADC参数，包括设置ADC的工作模式（单次、连续或扫描模式）、数据对齐方式、规则通道序列的长度和顺序等关键参数。
完成初始化后，使能ADC模块并进行校准。校准是保证ADC测量精度的关键步骤，包括复位校准和启动校准两个过程，需要等待校准完成。
最后，通过软件触发或外部触发启动AD转换，等待转换完成后即可读取转换结果寄存器中的AD值，进而通过换算得到实际的电压值。
ADC配置与数据采集实战
1. ADC初始化配置详解
下面以ADC1的通道1（PA1引脚）为例，展示完整的ADC初始化流程。配置采用6分频系数、单次转换模式，并使用软件触发方式。
/*
*==============================================================================
*函数名称：ADC1_Init
*函数功能：初始化ADC1模块
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：配置为单次转换模式，软件触发，右对齐数据
*==============================================================================
*/
void ADC1_Init(void)
{
// 定义初始化结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 开启GPIOA和ADC1时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
// 配置ADC时钟分频因子为6（72MHz/6=12MHz）
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
// 配置GPIO引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; // ADC1通道1对应PA1
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 配置ADC参数
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 单通道非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 软件触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 转换通道数为1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // 初始化ADC1
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC1
// ADC校准流程
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 复位校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待复位完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待校准完成
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 使能软件转换启动
}
2. 软件触发转换的实现
在库函数开发中，配置为软件触发模式后，可通过以下函数启动AD转换：
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState)
3. 读取转换结果与数据处理
库函数提供了直接读取转换结果的API：
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx)
下面提供一个实用的数据采集函数，支持多次采样取平均值，提高测量精度：
/*
*==============================================================================
*函数名称：Get_ADC_Value
*函数功能：读取指定规则通道的AD转换值（多次采样平均）
*输入参数：ch：规则通道ADC_Channel_x；times：采样次数
*返回值：多次采样的平均值
*备 注：采用239.5周期采样时间，提高测量精度
*==============================================================================
*/
u16 Get_ADC_Value(u8 ch, u8 times)
{
u32 temp_val = 0;
u8 t;
// 配置规则通道：ADC1，指定通道，序列1，239.5周期采样时间
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
for(t = 0; t < times; t++)
{
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); // 启动软件转换
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)); // 等待转换完成
temp_val += ADC_GetConversionValue(ADC1); // 累加转换结果
delay_ms(5); // 适当延时
}
return temp_val / times; // 返回平均值
}
实战项目：电压采集与串口输出
本实战项目将使用ADC1的通道1（PA1引脚）进行电压采集，并将结果通过串口输出到上位机。由于开发板上可能没有现成的分压电阻电路，我们可以直接将PA1引脚连接到3.3V电源来验证ADC采集功能（注意：如需测量外部电压，请确保电压范围在0-3.3V之间，避免损坏ADC模块）。
1. ADC初始化配置
/*
*==============================================================================
*函数名称：ADC1_Init
*函数功能：初始化ADC1模块
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：配置为独立模式、单次转换、软件触发、右对齐
*==============================================================================
*/
void ADC1_Init(void)
{
// 结构体定义
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 开启GPIOA和ADC1时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
// 设置ADC分频因子为6（72MHz/6=12MHz）
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
// 配置PA1为模拟输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; // ADC1通道1对应PA1引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// 配置ADC参数
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 单通道非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 单次转换模式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 软件触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 数据右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 1个转换通道
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // 初始化ADC1
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 使能ADC1
// ADC校准流程
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 复位校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待复位完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待校准完成
}
2. 主程序实现
u16 gAdcAdValue = 0; // 存储原始AD转换值
float gAdcVol = 0; // 存储计算后的电压值
int main(void)
{
Med_Mcu_Iint(); // 系统初始化（包含串口配置）
ADC1_Init(); // 初始化ADC1模块
printf("STM32 ADC电压采集实验启动...\r\n");
while(1)
{
gAdcAdValue = Get_ADC_Value(ADC_Channel_1, 10); // 获取10次采样平均值
gAdcVol = (gAdcAdValue / 4095.0f) * 3.3f; // 计算实际电压值
printf("AD值: %4d, 电压: %.2f V\r\n", gAdcAdValue, gAdcVol); // 串口输出结果
delay_ms(500); // 延时500ms，控制输出频率
}
}
拓展应用
1. 定时器触发ADC采集
根据STM32中文参考手册，ADC支持通过定时器触发进行转换（注意：只有PWM的上升沿可以触发AD转换）。可用的触发源包括：
- TIM1_CH1：定时器1通道1的PWM触发
- TIM1_CH2：定时器1通道2的PWM触发
- TIM1_CH3：定时器1通道3的PWM触发
- TIM2_CH2：定时器2通道2的PWM触发
- TIM3_TRGO：定时器3触发
- TIM4_CH4：定时器4通道4的PWM触发
以下以TIM4通道4触发ADC采集为例，展示具体配置方法。
定时器PWM配置（不重映射引脚）
/*
*==============================================================================
*函数名称：TIM4_CH4_PWM_Init
*函数功能：初始化定时器4的PWM通道4
*输入参数：per：自动重装载值；psc：预分频系数
*返回值：无
*备 注：配置PB9为TIM4通道4输出
*==============================================================================
*/
void TIM4_CH4_PWM_Init(u16 per, u16 psc)
{
// 结构体定义
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
// 初始化GPIO
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // PB9作为TIM4_CH4输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
// 初始化定时器时基参数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per; // 自动装载值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc; // 分频系数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStructure);
// 初始化PWM参数
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; // 输出极性低
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500; // 初始脉冲宽度
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCInitStructure); // 初始化通道4
TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable); // 使能预装载寄存器
TIM_ARRPreloadConfig(TIM4, ENABLE); // 使能自动重装载预装载
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); // 使能定时器
}
ADC配置（TIM4触发）
/*
*==============================================================================
*函数名称：ADC1_Init
*函数功能：初始化ADC1，配置为TIM4_CH4触发
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：使用外部触发模式，TIM4通道4作为触发源
*==============================================================================
*/
void ADC1_Init(void)
{
// 结构体定义
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
// 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
// 设置ADC分频因子为6（72MHz/6=12MHz）
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
// 配置规则通道
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
// GPIO配置
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; // ADC1通道1（PA1）
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
// ADC参数配置
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // 独立模式
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 非扫描模式
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; // 关闭连续转换
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4; // TIM4通道4触发
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 1个转换通道
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); // ADC初始化
// 使能外部触发
ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); // 开启AD转换器
// ADC校准
ADC_ResetCalibration(ADC1); // 复位校准寄存器
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待复位完成
ADC_StartCalibration(ADC1); // 开始校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); // 等待校准完成
}
主程序实现
u16 gAdcAdValue = 0; // 存储AD转换原始值
float gAdcVol = 0; // 存储计算后的电压值
int main(void)
{
Med_Mcu_Iint(); // 系统初始化
TIM4_CH4_PWM_Init(1000, 71); // 初始化TIM4通道4 PWM（1kHz频率）
ADC1_Init(); // 初始化ADC1
while(1)
{
gAdcAdValue = ADC_GetConversionValue(ADC1); // 获取转换结果
gAdcVol = (gAdcAdValue / 4095.0f) * 3.3f; // 计算实际电压值
printf("Vol=%.2f V\r\n", gAdcVol); // 串口输出结果
delay_ms(500); // 延时控制输出频率
}
}
配置说明：
- TIM4_CH4_PWM_Init(1000, 71)：分频系数为71+1，自动重装载值为1000，产生1kHz方波
- 触发AD转换的频率为1kHz，与PWM占空比无关
- ADC在每个PWM上升沿自动触发一次转换
2. 交流信号采集技术
STM32的ADC输入电压范围为0~3.3V，无法直接采集负电压信号。例如，对于下图所示的交流信号：
信号中位于0V以下的部分无法被直接采集。因此，在实际应用中，需要在交流信号输入ADC引脚之前，添加一个直流偏置电路，将整个交流信号抬升至0V以上，确保ADC能够完整采集波形。
3. 交流信号有效值计算
ADC常用于电流监测应用，通过采集电流互感器线圈两端的电压来监测主线路电流。由于通常处理的是交流信号，需要计算有效值。
常用的有效值计算方法有两种：一种是峰峰值除以√2，另一种是计算均方根（RMS）。推荐使用均方根计算方法，因为峰峰值容易受到噪声干扰而产生误差。
以下是一个计算50Hz交流信号有效值的示例程序。假设信号已添加1.65V直流偏置，ADC以1kHz频率采样（每个周期20个点）：
int gAdcAdValue[20]; // 存储一个周期采样结果的数组
int gAdcValidValue = 0; // 存储计算得到的有效值
/*
*==============================================================================
*函数名称：Med_Adc_ValidValueCal
*函数功能：计算交流信号有效值（RMS）
*输入参数：无
*返回值：无
*备 注：假设信号已添加1.65V偏置（对应AD值2048）
*==============================================================================
*/
void Med_Adc_ValidValueCal(void)
{
int tempVar = 0; // 循环变量
long squarSum = 0; // 平方和（使用long防止溢出）
// 计算平方和
for(tempVar = 0; tempVar < 20; tempVar++)
{
// 去除直流偏置（1.65V对应AD值2048）
int acComponent = gAdcAdValue[tempVar] - 2048;
// 累加平方值
squarSum += (long)acComponent * acComponent;
}
// 求平均值
squarSum /= 20;
// 开平方得到均方根（有效值）
gAdcValidValue = sqrt(squarSum);
}
误差校正方法：
在实际应用中，通常需要进行误差校正：
- 分段校正：在不同测量区间使用不同的校正系数，适用于误差呈分段线性的情况
- 比例校正：适用于误差随测量值增大而增大的情况，通过减去或加上一定比例的计算值进行校正
注意事项：
- 确保采样数据类型的范围足够，防止计算过程中溢出
- 实际应用中可能需要添加数字滤波处理以提高测量稳定性
- 上述代码仅供参考，实际应用时需要根据具体硬件特性进行调整
💡毕设特供
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