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ADC系列文章

【ADC】电压采集实验（1）{STM32F4 ADC 功能框图剖析 + 12 位电压采集公式与实现}
【ADC】电压采集实验（2）{STM32F4 ADC 独立模式 + 中断服务函数：电位器电压采集}
【ADC】电压采集实验（3）{STM32 ADC 扫描模式 + DMA 循环传输：多通道采集实现}
【ADC】电压采集实验（4）{STM32 三个 ADC 交叉采样：单通道高速采集（DMA 循环传输）}

前言

面试中经常面试官会询问简历中的ADC相关的知识，本文我们就进行了解ADC是什么什么呢，学习其对应的基础知识。

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一、ADC简介

• STM32F407ZGT6 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 VBAT 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。

二、ADC 功能框图剖析

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。

输入通道

确认好ADC输入电压后，电压怎么输入到ADC呢？

STM32的ADC多达19个通道，其中16个通道对应不同的IO口，剩下三个内部通道，ADC1/2/3各自内部通道如图所示进行连接。

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：符合规则的通道，平时使用的都是这个通道；
• 注入通道：类似中断插队，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。

转换顺序

规则序列

想要设置某个通道第几个转换，就在对应的寄存器位写上通道数。总共有多少个通道数可以设置SQL寄存器位

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，那么第一这次转换的是JCQRx[4:0] ， x =（4-JL）；
• 如果JL的值等于4，那么转换顺序和SQR一样

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。
• 除了上面那种，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。

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。

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。

数据寄存器

ADC转换后的数据存放

• 规则组数据：ADC_DR 寄存器
• 注入组数据：JDRx寄存器
• 规矩组的数据（双重或者三重模式）：ADC_CDR 通用规矩寄存器

规则数据寄存器 ADC_DR

• 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。
• ADC 的最大精度是 12 位， ADC_DR 是 16 位有效，由 ADC_CR2 的 11位 ALIGN 设置左对齐（ ADC_DR 寄存器的 [4:15] ）或者右对齐（ ADC_DR 寄存器的 [0:11]）
• 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。

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。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。

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。

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。独立模式的多通道AD转换和双重或三重模式基本都使用DMA传输。

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，可读性差，可以通过下面的计算方法进行转化电压。

三、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为外设名字)，结构体成员用于配置外设的工作参数，并由标准库xxx_Init()调用这些设定参数进入设置外设相应寄存器，达到配置外设工作环境的目的。

xxx_InitTypedef和库函数xxx_Init配合使用，我们要理解xxx_InitTypedef每个成员的意义
xxx_InitTypedef在stm32f4xx_xxx.h 文件中
xxx_Init 在 stm32f4xx_xxx.c 文件中

ADC_InitTypeDef 初始化结构体

/** 
  * @brief   ADC Init structure definition  
  */ 
typedef struct
{
  uint32_t ADC_Resolution;                /*ADC分辨率选择*/                                   
  FunctionalState ADC_ScanConvMode;       /*ADC扫描选择 */ 
  FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; /*ADC连续转换模式选择*/
  uint32_t ADC_ExternalTrigConvEdge;      /*ADC外部触发极性 */
  uint32_t ADC_ExternalTrigConv;          /*ADC外部触发选择 */
  uint32_t ADC_DataAlign;                 /*输出数据对齐方式 */
  uint8_t  ADC_NbrOfConversion;           /*转换通道数目 */
}ADC_InitTypeDef;

• ADC_Resolution：配置 ADC 的分辨率，可选的分辨率有 12 位、 10 位、 8 位和 6 位。分辨率越高，
  AD 转换数据精度越高，转换时间也越长；分辨率越低， AD 转换数据精度越低，转换时间也越短
• ADC_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：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。
• ADC_ExternalTrigConvEdge：外部触发极性选择，如果使用外部触发，可以选择触发的极性，可选有禁止触发检测、上升沿触发检测、下降沿触发检测以及上升沿和下降沿均可触发检测。
• ADC_ExternalTrigConv：外部触发选择，图单个 ADC 功能框图 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 或者左对齐。一般我们选择右对齐模式。
• ADC_NbrOfConversion：AD 转换通道数目

ADC_CommonInitTypeDef 通用初始化结构体

该结构体内容决定三个 ADC 共用的工作环境，比如模式选择、ADC 时钟等等。

typedef struct {
uint32_t ADC_Mode; //ADC 模式选择
uint32_t ADC_Prescaler; //ADC 分频系数
uint32_t ADC_DMAAccessMode; //DMA 模式配置
uint32_t ADC_TwoSamplingDelay; //采样延迟
} ADC_CommonInitTypeDef ;

ADC_Mode：ADC 工作模式选择，有独立模式、双重模式以及三重模式。
ADC_Prescaler： ADC 时钟分频系数选择， ADC 时钟是有 PCLK2 分频而来，分频系数决定 ADC时钟频率，可选的分频系数为 2、 4、 6 和 8。 ADC 最大时钟配置为 36MHz。
ADC_DMAAccessMode： DMA 模式设置，只有在双重或者三重模式才需要设置，可以设置三种模式，具体可参考参考手册说明。
ADC_TwoSamplingDelay： 2 个采样阶段之前的延迟，仅适用于双重或三重交错模式。