【STM32F103筆記】8、數據採集之ADC——做個數字電壓表吧

咳咳，這一篇來玩一下STM32的ADC（Analog to Digital Converter），也就是可以把輸入的模擬量轉換爲數字量，這樣就可以做個電壓表了，再加上一些輔助電路，就能夠自己做一個萬用表了，非常完美。（嗯，這篇我們只做數字電壓表~就是這麼懶）

從這一篇開始，對STM32內部結構和寄存器的介紹會更加詳細一點，要開始深入瞭解了，感興趣的朋友還可以對照前幾篇自個兒深入瞭解一下，嘿嘿~ . ~

ADC介紹

打開STM32F103C8T6的數據手冊，第一頁就對其擁有的外設進行了簡單的列舉介紹，找到ADC的相關介紹：

從介紹中可以知道：

STM32F103C8T6有2個12位的A/D轉換器，支持16個通道，轉換時間最小可達1us；
A/D轉換電壓範圍是0到3.6V，這個非常重要，不要把超過範圍的電壓接入電壓採集引腳，輕則導致轉換結果超出範圍，讀數不準，嚴重可能會燒壞引腳；因此在使用ADC進行電壓轉換的時候，要根據採集的電壓範圍進行相應的分壓設計；
2個ADC可以同步採集，並且可由定時器控制，還具有內部溫度傳感器；
其它說明等用到的時候再看。

ADC內部結構

在STM32手冊中，找到ADC章節，其內部結構圖如下（看不清的話請點擊放大）：

有幾個需要關注的部分：

正中間就是STM32的A/D模塊的核心部分——ADC，模數轉換器；
左側上面的紅框中：
- V_REF+與V_REF-是ADC的參考電壓，這個電壓的要求是精度高且穩定，由於筆者的最小系統板用的是STM32F103C8T6，引腳數是48，而64引腳及以下的芯片V_REF是在內部連接到VDDA，僅有100腳以上的芯片纔會將V_REF引到外部引腳；
- V_DDA和V_SSA是ADC的供電電源，在筆者的最小系統板上通過電感電容組成LC濾波電路，與供電VDD連接，提供一個較爲穩定的3.3V電源：
左側下面的紅框中就是外部電壓的輸入引腳了（常規的輸入引腳），而VDD爲3.3V供電電壓，因此V_REF電壓爲3.3V，即AD採樣轉換的電壓範圍爲0~3.3V，而ADC爲12位，故採樣結果 0 - 4095 對應電壓 0 - 3.3V；
在右側的紅框中是ADC所使用的時鐘，在進入ADC之前有一個預分頻器，而在第二篇中的時鐘分析裏可知，ADC掛載在APB2總線上，因此APB2總線時鐘信號（72MHz）經過這個預分頻器最後進入ADC，提供時鐘信號，這裏注意進入ADC的時鐘不能超過14MHz，因此在72MHz的APB2總線時鐘下，預分頻係數只能設置爲8分頻或6分頻；
在圖中還可以看出，ADC還可以用定時器進行控制，並可以觸發中斷，在這裏暫時不用這些功能。

ADC寄存器

瞭解了ADC的內部結構之後，就要開始對其寄存器進行分析，那麼就會問了，我們用的是庫開發，爲什麼還要去看寄存器呢；這裏簡單說明一下，庫開發是爲了方便程序的開發，也是建立在寄存器控制之上的，如果不瞭解相關的寄存器的話，可能會不知道用哪些庫函數，並且作爲單片機開發，瞭解其寄存器對後續程序移植等等都有很大的好處。當然，在剛開始看寄存器的時候難免會暈，熟悉了就好了(づ￣ v￣)づ

建議大家在開發單片機程序時，用這麼個流程：確定相關外設後，先看板子的電路圖，確定硬件電路的關係，然後在手冊中找對應的外設章節進行了解，然後查看相關寄存器的配置說明，並結合手冊中的功能說明進行分析，最後確定程序設計思路，然後就是寫程序，最後就到了最重要的Debug，也就是改bug……

1、ADC status register (ADC_SR)

ADC_SR爲ADC的狀態標誌寄存器，提供AD轉換中的一些標誌：

Bit 31:15：保留位，不需要進行設置，但是必須保持清0；
Bit 4 STRT：普通通道AD轉換開始標誌位，轉換開始後由硬件置1，結束後由軟件清0；
Bit 3 JSTRT：注入通道AD轉換開始標誌位，同上；
Bit 2 JEOC：注入通道AD轉換完成標誌位，轉換完成時硬件置1，由軟件清0；
Bit 1 EOC：通道AD轉換完成標誌位，轉換完成時硬件置1，由軟件清0；
Bit 0 AWD：模擬看門狗功能，當AD轉換值超過設定的電壓範圍時置1，由軟件清0；
所謂由軟件清0就是在程序中要向該位寫入0。

這裏Bit 1 EOC可以用於判斷AD轉換是否完成，若完成就可以讀取AD轉換的數據了。

2、ADC control register 1 (ADC_CR1)

ADC_CR1是ADC的控制寄存器1，用於對ADC進行設置：

Bit 31:24：保留位，不需要進行設置，但是必須保持清0；
Bit 23 AWDEN：普通通道模擬看門狗使能，置1使能，清0禁用；
……
Bit 19:16 DUALMOD[3:0]：設置2個ADC的使用方式：
- 0000 - 獨立模式，2個ADC不同時工作；
- …
……
Bit 11 DISCEN：普通通道非連續模式設置，置1使能非連續模式，清0禁用；
Bit 8 SCAN：當需要採集多路電壓數據時，可以使用SCAN模式，掃描模式，置1使能，清0禁用，這裏我們不需要使用禁用就可以；
……
Bit 5 EOCIE：轉換完成觸發中斷使能位，置1使能，清0禁用，這裏我們不需要使用禁用就可以；
……

由於我們只進行一路ADC的採集，只需要用到一個ADC，因此設置成獨立模式即可。

3、ADC control register 2 (ADC_CR2)

ADC_CR2是ADC的控制寄存器2，用於對ADC進行設置：

Bit 31:24：保留位，不需要進行設置，但是必須保持清0；
Bit 23 TSVREFE：溫度傳感器使能；
Bit 22 SWSTART：普通通道轉換開始觸發位，置1則ADC開始轉換；
……
Bit 11 ALIGN：數據對齊方式，置1左對齊，清0右對齊，爲了計算方便，這裏清0選擇右對齊；
Bit 3 RSTCAL：復位校準，軟件置1開始復位，硬件清0表示復位完成；
Bit 2 CAL：AD校準，軟件置1開始校準，硬件清0表示校準完成；
Bit 1 CONT：連續轉換模式，置1設置連續轉換，清0設置單次轉換；
Bit 0 ADON：置1使能並啓動AD轉換；

STM32的ADC模塊自帶內部校準功能，手冊建議是每次上電之後都進行一次校準，以保證AD結果的準確；並且設置AD數據右對齊（因此ADC爲12位，但ADC結果數據寄存器爲16位），這樣直接讀取就是AD轉換結果（不需要進行移位），方便計算；設置ADC爲連續採樣模式，這樣不需要每次都觸發AD轉換；

4、ADC sample time register 1 (ADC_SMPR1)

ADC_SMPR1是ADC的採樣週期設置寄存器：

Bit 23:0 SMPx[2:0]：通道X的採樣週期設置：
- 000：1.5個週期
- 001：7.5個週期
- ……具體設置可以參閱手冊。
總的採樣時間計算爲：
$T_{conv}=採樣週期+12.5個週期$
這裏我們可以根據需要進行設置。

5、ADC sample time register 2 (ADC_SMPR2)

同上

6、ADC regular sequence register 1 (ADC_SQR1)

ADC_SQR1與ADC_SQR2、ADC_SQR3都是用於在多通道採集時，設置通道採集順序的寄存器。這裏我們設置成1就好，因爲沒有多通道，不涉及順序。

7、ADC regular data register (ADC_DR)

ADC普通通道採樣數據寄存器：

可以看到，一個ADC功能雖然提供了很多寄存器（14個，上面沒涉及的沒有列出）進行設置，但是如果只考慮相關功能的寄存器，其實還是不多的，有了寄存器的基礎，再使用庫函數開發就更快了（當然也可能就拋棄庫開發轉向寄存器開發了，嘻嘻嘻）

程序設計

綜合上述寄存器說明，結合STM32F103C8T6引腳圖，可以選擇PA2（ADC_IN2）作爲ADC1採樣電壓輸入引腳：

配置ADC1採樣的引腳；
設置ADC1預分頻；
設置ADC1爲獨立轉換模式，不使用掃描功能，使能連續轉換功能，並且設置轉換數據爲右對齊；
使能ADC1，並且進行校準；
最後開始轉換，並讀取AD採樣數據，通過串口進行顯示。

硬件連接

這裏筆者用了一個很久很久之前買的按鍵鍵盤作爲ADC電壓輸入，將電壓信號接到PA2引腳上：

這個小鍵盤通過電阻對供電電壓進行分壓，當按下不同按鍵時，其輸出端口OUT的電壓不同，筆者正好趁這個機會，把每個按鍵按下的輸出電壓測一下，後續可以用這個鍵盤配合其他小模塊寫更有意思的程序。

ADC初始化程序

根據上面寄存器分析記過，在官方庫中查找相應的庫函數，編寫ADC初始化程序，具體程序說明請看註釋：

void ADC1_PA2_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef PA2InitStruct;
	// 同樣，官方庫爲ADC初始化提供了對應的結構體，可以先在幫助手冊中看看結構體的內容
	ADC_InitTypeDef ADC1InitStruct;
	
	// ADC1、GPIOA都掛載在APB2總線上，開啓它們的時鐘
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	// 設置GPIOA2爲模擬輸入
	PA2InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
	PA2InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_Init(GPIOA, &PA2InitStruct);
	
	// ADC1設置爲獨立模式
	ADC1InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	// 不使用掃描模式（就一個通道）
	ADC1InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
	// 設置爲連續轉換模式
	ADC1InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	// 不使用外部觸發ADC採樣轉換
	ADC1InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	// 設置AD轉換數據右對齊
	ADC1InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
	// 一個通道-PA2對應ADC_IN2
	ADC1InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
	// 調用ADC_Init函數進行初始化，這裏其實主要設置的是ADC_CR1和ADC_CR2寄存器，可以去函數定義裏看看，體會一下
	ADC_Init(ADC1, &ADC1InitStruct);
	
	// 設置ADC1的預分頻係數，APB2時鐘信號爲72MHz，6分頻，即12MHz
	// 這裏是設置RCC的RCC_CFGR寄存器的Bit 15:14，即ADC預分頻器
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	
	// 設置ADC1的通道2（對應PA2），轉換順序設置爲1（就一個通道）
	// 採樣週期設置爲41.5個，這樣總的轉換時間就是54個時鐘週期，爲4.5us
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 1, ADC_SampleTime_41Cycles5);
	
	// 使能ADC1，即設置ADC_CR2寄存器Bit0 ADON爲1
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
	
	// 復位校準，即將ADC_CR2寄存器Bit3 RSTCAL置1
	ADC_ResetCalibration(ADC1);
	// 等待復位校準完成，即不斷讀取ADC_CR2寄存器Bit3 RSTCAL，若爲0則表示已完成
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
	// 開始校準，即將ADC_CR2寄存器Bit2 CAL置1
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	// 同樣等待校準完成，即不斷讀取ADC_CR2寄存器Bit2 CAL，若爲0則表示已完成
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
	
	// 由於沒有設置ADC外部觸發，所以這裏需要軟件觸發一次，這樣在連續模式下，ADC就會一直採用轉換了
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

其他程序說明

這裏還使用了前幾篇的delay與usart相關程序，筆者推薦將其放在單獨的文件夾中，幷包含進工程，這樣不同外設的程序比較整齊，也方便後續擴展：

完整程序

這裏只給出main.c中程序，其它程序請在博客的其它文章中參考：

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"

void ADC1_PA2_Config(void);

int main(void)
{
	uint16_t adcResult;
	double vol;
	
	USART1Config();
	ADC1_PA2_Config();
	
	printf("Hello\r\n");
	printf("Getting ADC1 ch2:\r\n");
	
	while(1)
	{
		while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
		adcResult = ADC_GetConversionValue(ADC1);
		vol = (double)adcResult / 4096.0 * 3.3;
		printf("%d - %lf \r\n", adcResult, vol);
		delay_ms(500);
	}
	
}

void ADC1_PA2_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef PA2InitStruct;
	ADC_InitTypeDef ADC1InitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	PA2InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
	PA2InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_Init(GPIOA, &PA2InitStruct);
	
	ADC1InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	ADC1InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
	ADC1InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	ADC1InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	ADC1InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
	ADC1InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
	ADC_Init(ADC1, &ADC1InitStruct);
	
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 1, ADC_SampleTime_41Cycles5);
	
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
	
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

運行結果

將程序編譯下載運行：

【STM32F103筆記】8、數據採集之ADC——做個數字電壓表吧

ADC介紹

ADC內部結構

ADC寄存器

1、ADC status register (ADC_SR)

2、ADC control register 1 (ADC_CR1)

3、ADC control register 2 (ADC_CR2)

4、ADC sample time register 1 (ADC_SMPR1)

5、ADC sample time register 2 (ADC_SMPR2)

6、ADC regular sequence register 1 (ADC_SQR1)

7、ADC regular data register (ADC_DR)

程序設計

硬件連接

ADC初始化程序

其他程序說明

完整程序

運行結果

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