【动手学STM32G4】（1）STM32G431之创建项目
【动手学STM32G4】（2）STM32G431之外部中断
【动手学STM32G4】（3）STM32G431之定时器
【动手学STM32G4】（11）STM32G431之 ADC 温度检测

1. 项目简介

在嵌入式系统中，模拟信号的采集与输出是连接物理世界与数字处理系统的关键环节。

本项目基于 NUCLEO-G431RB 开发板，对片上温度传感器（VTS）和内部电压基准（VREFINT）进行 ADC1 转换，计算实际温度；再通过虚拟串口在 VOFA+ 中绘制实时温度曲线。

通过本实验，学生将掌握 STM32 微控制器 ADC 内部通道（Internal Channel）的使用方法，理解片上温度传感器的工作机理，并完成从数据采集到上位机可视化的完整工程流程。具体目标包括：

1. 理解 STM32 ADC 内部通道（Temperature Sensor、VREFINT）的原理与特点；
2. 掌握 STM32CubeMX 中 ADC 多通道扫描与 DMA 的配置方法；
3. 熟悉 LPUART + DMA 的数据发送方式；
4. 使用 VOFA+ 软件实现实时波形显示。

1.1 工作原理

STM32G431 片内往往都集成了一个内部温度传感器用于测量芯片的结温（Tj），并给出了出厂时基于特定温度及参考电压下的校准值以供使用。

STM32G4 系列 ADC 除了支持外部模拟输入引脚，还提供多个内部通道：

• 温度传感器（TS）：产生的电压 VTS 随温度线性变化，温度传感器内部连接到 ADC1 的输入通道 ADC1_IN16，用于将传感器的输出电压转换为数字量。
• 内部电压基准（VREFINT）：EFINT 为 ADC 和比较器提供一个稳定的带隙基准电压，内部连接到 ADC1 的输入通道
  ADC1_IN18。
• 校准值地址：在生产测试时单独测量每颗芯片的 VREFINT 精确值，并将其存入系统存储区，用户只能以只读方式访问。
  • TS_CAL1：0x1FFF75A8（30°C，VDDA=3.0V）
  • TS_CAL2：0x1FFF75CA（130°C，VDDA=3.0V）
  • VREFINT_CAL：0x1FFF75AA（30°C，VDDA=3.0V）

本例程主要示例 ADC 的应用，为简化程序不使用 TS_CAL1/TS_CAL2 校准，而采用 ST 常见的典型参数 V30=0.76V、Avg_Slope=2.5mV/°C 来估算温度。代码简单、无需读校准常量。

片上温度传感器本质上是一个与温度相关的模拟电压源，其输出电压 $V_{TS}$ 随温度变化，近似满足线性关系:

$$T=\frac{V_{TS}-V_{30}}{A_{vg}Slope}+30$$

其中：
V30：30℃ 时的传感器电压（典型值 ≈ 0.76V）
AvgSlope：平均斜率（典型值 ≈ 2.5mV/℃）

Vts = ADC_TS * VDDA / 4096
Temp = (Vts - V30) / Avg_Slope + 30

1.2 实验任务

1. 配置 ADC1，扫描两个内部通道：
   Rank1：温度传感器
   Rank2：VREFINT
2. 使用 DMA 连续采样 ADC 数据
3. 计算：温度值（℃），温度传感器电压
4. 通过 LPUART1（ST-LINK 虚拟串口）发送数据
5. 在 VOFA+ 中实时显示两通道曲线：CH1：温度（℃），CH2：Vts（V）

1.3 软硬件准备

硬件资源：

1. NUCLEO-G431RB 开发板
   内置 STM32G431 具有高速 12 位 ADC、12 位 DAC 以及丰富的模拟外设资源，是本实验的核心平台。

2. USB 数据线（Micro USB → USB-A）
   用于开发板供电、程序下载和串口通信。

3. 示波器（可选）
   用于观察 DAC 输出的实际模拟波形，便于与采样数据进行对比。

软件资源：
STM32CubeMX， STM32CubeIDE，VOFA+ 串口调试工具

硬件连接：

• Nucleo-G431RB 开发板通过其USB端口（Micro-USB）连接到PC。
  安装 ST-LINK 驱动后，在设备管理器里能看到一个 “ST-LINK Virtual COM Port (COMx)”。

• 在 Nucleo-G431RB开发板上，默认 LPUART1（PA2/PA3）接到 ST-LINK 的虚拟串口。
  这种方式不需要再接 USB-TTL，只要一根 USB 线就能做串口实验。

2. CubeMX 工程创建与配置

2.1 新建工程与基础设置

1. 新建工程
   启动 STM32CubeMX，点击 “Start New Project” （或Ctrl-N快捷键）新建工程，进入 New Project 界面。

• 选择MCU为 STM32G431RBT6（参考开发板的 MCU 型号选择）。
• 选择开发板为 NUCLEO-G431RB 开发板。
• 点击右上角 “Start Project” 创建项目。

2. 基础设置：
   选择“引脚配置（Pinout & Configuration）”，
   （1）选择 “System Core – SYS” 设置调试器类型，将 Debug 模式设为 “Serial Wire”。
   （2）选择 “System Core – SYS” 设置基础时钟源（Timebase Source），可以选择默认设置 “SysTick”。

（3）选择 “System Core – RCC” 配置时钟模式，设置高速、低速时钟为外部晶振，将 High Speed Clock (HSE) 、Low Speed Clock (LSE) 都设为 “Crystal/Ceramic Resonator”。

2.2 ADC配置

1. 选择 PA0 为 ADC1-IN1 的采样通道引脚，配置为模拟模式。
   （1）选择 “引脚配置（Pinout & Configuration）”，从左侧下拉列表中选择 “Analog – ADC1” ，使用 IN1（PA0） 作为模拟输入通道，将 IN1 设置为 “IN1 Singel-ended”。在 Pinout view 视图中，将 PA0 引脚配置为 “ADC1_IN1”（通常会自动配置）。
   （2）开启独立通道 IN1，设置为 “IN1 Single-ended”。
   （3）开启温度传感器通道 和 内部电压基准（Vrefint）通道。

2. 配置 ADC 工作模式和参数。

ADCs_Common_Settings
   Mode: Independent mode
ADC_Settings   
   Resolution: ADC 12-bit resolution
   Data Alignment: Right alignment（右对齐）
   Gain Compensation: 默认为 0
   Continuous Conversion Mode: Enabled（持续扫描，配合 DMA 使用）
   DMA Continuous Requests: Enabled
Scan Conversion Mode：Enable
Number of Conversion: 2
Rank 1: 
   Channel: Channel Temperature Sensor
   Smapling Time: 92.5 Cycles
   Offset Number: No offset
Rank 2: 
   Channel: Channel Vrefint
   Smapling Time: 92.5 Cycles
   Offset Number: No offset

3. 添加 DMA 通道：
   在 ADC1 的 DMA Settings 中添加一个 DMA 通道；

Add DMA Request：ADC1
Mode：Circular
Data Width：Half Word（16-bit）

2.3 GPIO 与串口（可选）配置

1. GPIO（可选）
   可选地，配置一些 GPIO 用于 LED 显示或按键触发。
   例如，将 PA5 配置为 GPIO_OUT(LD2)，将 PC13 配置为 GPIO_EXTI13(UserBTN)

2. 串口 / LPUART（用于上位机调试，可选）
   如需要使用串口发送 ADC/DAC 数据到 PC 来显示波形：启用 LPUART1，模式设为 Asynchronous；波特率设置为 115200；引脚使用默认的 PA2（TX）/PA3（RX），连接到 Nucleo 板上的 ST-LINK 虚拟串口。

2.4 时钟配置

在 Clock Configuration 视图进行时钟配置，如下图所示。

2.5 工程配置

点击工具栏 “Project Manager” 进入工程配置界面，如下图所示。
（1）在 Project Name 输入项目名称 “STM32G431_ADC03”。
（2）在 Toolchain/IDE 选择 IDE 工具为 “STM32CubeIDE”（也可以根据需要选择其它 IDE 工具 ）。

（3）在 “Project Manager” 继续向下拉，“在 MCU and Firmware Package” 栏中，取消选中 “Use latest available version”，根据所安装的 G4 固件版本，选择 “STM32Cube FW_G4 V1.6.0”；
（4）如果固件包不是安装在默认路径，则要取消选中 “Use Default Firmware Location”，通过 Browse 选择固件包的安装路径。

2.6 生成工程代码

点击右上角 “GENERATE CODE” ，将自动生成带 .ioc 的工程文件 “STM32G431_ADC03.ioc”
加载完毕后，弹出代码生成提示窗口，点击“ OPEN PROJECT”，进入 STM32CubeIDE。
可以在 main.c 中看到 CubeMX 自动生成的初始化函数调用：

MX_GPIO_Init();
MX_ADC1_Init();
MX_DAC1_Init();
MX_LPUART1_UART_Init();

3. 使用 STM32CubeIDE 编写和调试

1. 在 STM32CubeIDE 打开代码文件 main.c。
   代码生成后，已经自动进入 STM32CubeIDE，并打开创建的 STM32G431_ADC03 项目。在 “Core\Src” 目录中，已经生成了 adc.c 和 main.c 等基础程序。

2. 从 “Core\Src” 目录打开程序文件 adc.c，检查 CubeMX 生成的 ADC 配置是否是 “2 rank + DMA 循环”。

/* ADC1 init function */
void MX_ADC1_Init(void)
{
  ADC_MultiModeTypeDef multimode = {0};
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  /** Common config */
  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
  hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.GainCompensation = 0;
  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_ENABLE;
  hadc1.Init.EOCSelection = ADC_EOC_SINGLE_CONV;
  hadc1.Init.LowPowerAutoWait = DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 2;
  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE;
  hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;
  hadc1.Init.Overrun = ADC_OVR_DATA_PRESERVED;
  hadc1.Init.OversamplingMode = DISABLE;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Configure the ADC multi-mode */
  multimode.Mode = ADC_MODE_INDEPENDENT;

  /** Configure Regular Channel */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR_ADC1;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  ...

  /** Configure Regular Channel */
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_VREFINT;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

3. 从 “Core\Src” 目录打开程序文件 main.c，如下图所示。

4. 修改 main.c 代码。

（1）在 main.c 开头的 USER CODE 区 加入头文件与宏：

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

（2）在 main.c 开头的Private variables 区 加入“校准地址 + DMA 缓冲 + VOFA 尾帧”：

/* USER CODE BEGIN PV */
/* ADC DMA 缓冲：Rank1=TempSensor, Rank2=VREFINT */
volatile uint16_t adc_buf[2] = {0};

/* USER CODE BEGIN PV */
typedef union {
    float f;
    uint8_t b[4];
} FloatBytes;

/* 串口发送缓冲：2通道 + 帧尾 = 3个float = 12字节 */
static FloatBytes serialData[3];   // [0]=CH1, [1]=CH2, [2]=Tail(NaN)
/* USER CODE END PV */

（3）在 USER CODE BEGIN 0 区 添加 2 个函数 Calc_VDDA_mV(), Calc_TempC_Typical()：

/* USER CODE BEGIN 0 */
/* 典型参数（ST 常用示例值） */
#define TS_V30        (0.76f)     // 30°C时 VTS 典型值 (V)
#define TS_AVG_SLOPE  (0.0025f)   // 平均斜率 2.5mV/°C (V/°C)

/* VREFINT_CAL_ADDR 在 stm32g4xx_ll_adc.h 已定义，无需重复 define */
static float Calc_VDDA_mV(uint16_t vref_raw)
{
    if (vref_raw == 0) return 0.0f;
    return 3000.0f * ((float)(*VREFINT_CAL_ADDR)) / (float)vref_raw;
}

static float Calc_TempC_Typical(uint16_t ts_raw, float vdda_mV)
{
    if (vdda_mV <= 0.0f) return 0.0f;

    float vdda_v = vdda_mV / 1000.0f;                 // mV -> V
    float vts    = (float)ts_raw * (vdda_v / 4096.0f); // ADC->V

    return (vts - TS_V30) / TS_AVG_SLOPE + 30.0f;
}
/* USER CODE END 0 */

（4）在 main() 里启动 ADC 校准 + 启动 ADC DMA（放到 USER CODE BEGIN 2）：

  /* USER CODE BEGIN 2 */
  /* 1) 初始化 VOFA+ 帧尾：00 00 80 7F (NaN，小端) */
  memcpy(serialData[2].b, (uint8_t[]){0x00, 0x00, 0x80, 0x7F}, 4);

  /* 2) ADC 校准（建议） */
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1, ADC_SINGLE_ENDED);

  /* 3) 启动 ADC DMA（2个转换：TS + VREFINT） */
  if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buf, 2) != HAL_OK)
  {
      Error_Handler();
  }
  /* USER CODE END 2 */

（5）轮询程序 while(1) 的代码修改如下。

  /* Infinite loop */
  while (1)
  {
    /* USER CODE BEGIN 3 */
    /* adc_buf[0]=TS raw (Rank1), adc_buf[1]=VREFINT raw (Rank2) */
    uint16_t ts_raw   = adc_buf[0];  // Rank1: TS
    uint16_t vref_raw = adc_buf[1];  // Rank2: VREFINT

    float vdda_mV = Calc_VDDA_mV(vref_raw);
    float temp_c  = Calc_TempC_Typical(ts_raw, vdda_mV);

    /* 方案1：CH1=温度(℃)，CH2=VDDA(mV)  */
    float vdda_v = vdda_mV / 1000.0f;
    float vts = (float)ts_raw * (vdda_v / 4096.0f);
    serialData[0].f = temp_c;
    serialData[1].f = vts;

    /* 通过 DMA 发给 VOFA+：3个float=12字节 */
    if (HAL_UART_GetState(&hlpuart1) == HAL_UART_STATE_READY)
    {
        HAL_UART_Transmit_DMA(&hlpuart1, (uint8_t*)serialData, 12);
    }

    HAL_Delay(100);
  }

3. 启用 printf 的浮点输出–非常重要！
   在 STM32CubeIDE 中：
   （1）在菜单点击 “Project → Properties”，弹出 Properties 窗口。
   （2）选择 “C/C++ Build → Settings → Tool Settings → MCU Settings”
   （3）勾选：Use float with printf from newlib-nano (-u _printf_float)
   （4）点击右下角 “Apply and Close” 确认设置。
   
   
   

4. 程序编辑、编译与调试

   • 点击工具栏中 “Build Debug” 按键对程序代码进行编译。
   • 点击工具栏中 “Debug” 按键，将程序下载烧录到目标板 NUCLEO-G431RB 。
   • 点击工具栏中 “Resume” 按键 或 F8 快捷键，运行程序。

5. 打开 VOFA+ 软件：
   （1）点击 “数据引擎” 下拉菜单，选择 “JustFloat” 协议。
   （2）点击 “数据接口” 下拉菜单，选择 “串口”。
   （3）点击 “端口号” 下拉菜单，选中 STM STLink Virtual COM Port。
   （4）将配置参数设为与 STM32CubeMX 中 “Connectivity – LPUART1” 的配置一致：

波特率：115200
数据位：8 Bits
校验位：None
数据流控：None
停止位：1

6. 点击 VOFA+ 左上角的 “连接” 按钮，在数据显示区就将显示 HEX 格式的数据，并在上方图形区域显示波形。
   鼠标移到上方波形区域，点击鼠标右键唤出设置菜单。
   （1）点击 “X轴”，选择“使用时间轴”；
   （2）点击 “Y轴”，选择“All” 绘制所有曲线的波形；

于是在VOFA+中，我们可以同时观察到：（1）红色曲线，温度(℃)；（2）绿色曲线，Vts(V)。
典型观察结果：

• 温度 CH1：20～35℃（室温附近）
• Vts CH2：约 0.70～0.80V

用手指按住 MCU 芯片区域 10～20 秒，红色曲线上升至 30℃ 左右；松开手指后 温度缓慢下降并恢复到正常值。

总结

通过本实验，完成了一个完整的嵌入式模拟采集与可视化系统，深入理解了：

• ADC 内部通道的工程价值
• 模拟量与数字量之间的转换关系
• “测量 ≠ 直接读数，而是建模 + 校正”的工程思想

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