【STM32F103笔记】8、数据采集之ADC——做个数字电压表吧

咳咳，这一篇来玩一下STM32的ADC（Analog to Digital Converter），也就是可以把输入的模拟量转换为数字量，这样就可以做个电压表了，再加上一些辅助电路，就能够自己做一个万用表了，非常完美。（嗯，这篇我们只做数字电压表~就是这么懒）

从这一篇开始，对STM32内部结构和寄存器的介绍会更加详细一点，要开始深入了解了，感兴趣的朋友还可以对照前几篇自个儿深入了解一下，嘿嘿~ . ~

ADC介绍

打开STM32F103C8T6的数据手册，第一页就对其拥有的外设进行了简单的列举介绍，找到ADC的相关介绍：
在这里插入图片描述
从介绍中可以知道：

STM32F103C8T6有2个12位的A/D转换器，支持16个通道，转换时间最小可达1us；
A/D转换电压范围是0到3.6V，这个非常重要，不要把超过范围的电压接入电压采集引脚，轻则导致转换结果超出范围，读数不准，严重可能会烧坏引脚；因此在使用ADC进行电压转换的时候，要根据采集的电压范围进行相应的分压设计；
2个ADC可以同步采集，并且可由定时器控制，还具有内部温度传感器；
其它说明等用到的时候再看。

ADC内部结构

在STM32手册中，找到ADC章节，其内部结构图如下（看不清的话请点击放大）：
在这里插入图片描述
有几个需要关注的部分：

正中间就是STM32的A/D模块的核心部分——ADC，模数转换器；
左侧上面的红框中：
- V_REF+与V_REF-是ADC的参考电压，这个电压的要求是精度高且稳定，由于笔者的最小系统板用的是STM32F103C8T6，引脚数是48，而64引脚及以下的芯片V_REF是在内部连接到VDDA，仅有100脚以上的芯片才会将V_REF引到外部引脚；
- V_DDA和V_SSA是ADC的供电电源，在笔者的最小系统板上通过电感电容组成LC滤波电路，与供电VDD连接，提供一个较为稳定的3.3V电源：
左侧下面的红框中就是外部电压的输入引脚了（常规的输入引脚），而VDD为3.3V供电电压，因此V_REF电压为3.3V，即AD采样转换的电压范围为0~3.3V，而ADC为12位，故采样结果 0 - 4095 对应电压 0 - 3.3V；
在右侧的红框中是ADC所使用的时钟，在进入ADC之前有一个预分频器，而在第二篇中的时钟分析里可知，ADC挂载在APB2总线上，因此APB2总线时钟信号（72MHz）经过这个预分频器最后进入ADC，提供时钟信号，这里注意进入ADC的时钟不能超过14MHz，因此在72MHz的APB2总线时钟下，预分频系数只能设置为8分频或6分频；
在图中还可以看出，ADC还可以用定时器进行控制，并可以触发中断，在这里暂时不用这些功能。

ADC寄存器

了解了ADC的内部结构之后，就要开始对其寄存器进行分析，那么就会问了，我们用的是库开发，为什么还要去看寄存器呢；这里简单说明一下，库开发是为了方便程序的开发，也是建立在寄存器控制之上的，如果不了解相关的寄存器的话，可能会不知道用哪些库函数，并且作为单片机开发，了解其寄存器对后续程序移植等等都有很大的好处。当然，在刚开始看寄存器的时候难免会晕，熟悉了就好了(づ￣ v￣)づ

建议大家在开发单片机程序时，用这么个流程：确定相关外设后，先看板子的电路图，确定硬件电路的关系，然后在手册中找对应的外设章节进行了解，然后查看相关寄存器的配置说明，并结合手册中的功能说明进行分析，最后确定程序设计思路，然后就是写程序，最后就到了最重要的Debug，也就是改bug……

1、ADC status register (ADC_SR)

ADC_SR为ADC的状态标志寄存器，提供AD转换中的一些标志：
在这里插入图片描述

Bit 31:15：保留位，不需要进行设置，但是必须保持清0；
Bit 4 STRT：普通通道AD转换开始标志位，转换开始后由硬件置1，结束后由软件清0；
Bit 3 JSTRT：注入通道AD转换开始标志位，同上；
Bit 2 JEOC：注入通道AD转换完成标志位，转换完成时硬件置1，由软件清0；
Bit 1 EOC：通道AD转换完成标志位，转换完成时硬件置1，由软件清0；
Bit 0 AWD：模拟看门狗功能，当AD转换值超过设定的电压范围时置1，由软件清0；
所谓由软件清0就是在程序中要向该位写入0。

这里Bit 1 EOC可以用于判断AD转换是否完成，若完成就可以读取AD转换的数据了。

2、ADC control register 1 (ADC_CR1)

ADC_CR1是ADC的控制寄存器1，用于对ADC进行设置：
在这里插入图片描述

Bit 31:24：保留位，不需要进行设置，但是必须保持清0；
Bit 23 AWDEN：普通通道模拟看门狗使能，置1使能，清0禁用；
……
Bit 19:16 DUALMOD[3:0]：设置2个ADC的使用方式：
- 0000 - 独立模式，2个ADC不同时工作；
- …
……
Bit 11 DISCEN：普通通道非连续模式设置，置1使能非连续模式，清0禁用；
Bit 8 SCAN：当需要采集多路电压数据时，可以使用SCAN模式，扫描模式，置1使能，清0禁用，这里我们不需要使用禁用就可以；
……
Bit 5 EOCIE：转换完成触发中断使能位，置1使能，清0禁用，这里我们不需要使用禁用就可以；
……

由于我们只进行一路ADC的采集，只需要用到一个ADC，因此设置成独立模式即可。

3、ADC control register 2 (ADC_CR2)

ADC_CR2是ADC的控制寄存器2，用于对ADC进行设置：
在这里插入图片描述

Bit 31:24：保留位，不需要进行设置，但是必须保持清0；
Bit 23 TSVREFE：温度传感器使能；
Bit 22 SWSTART：普通通道转换开始触发位，置1则ADC开始转换；
……
Bit 11 ALIGN：数据对齐方式，置1左对齐，清0右对齐，为了计算方便，这里清0选择右对齐；
Bit 3 RSTCAL：复位校准，软件置1开始复位，硬件清0表示复位完成；
Bit 2 CAL：AD校准，软件置1开始校准，硬件清0表示校准完成；
Bit 1 CONT：连续转换模式，置1设置连续转换，清0设置单次转换；
Bit 0 ADON：置1使能并启动AD转换；

STM32的ADC模块自带内部校准功能，手册建议是每次上电之后都进行一次校准，以保证AD结果的准确；并且设置AD数据右对齐（因此ADC为12位，但ADC结果数据寄存器为16位），这样直接读取就是AD转换结果（不需要进行移位），方便计算；设置ADC为连续采样模式，这样不需要每次都触发AD转换；

4、ADC sample time register 1 (ADC_SMPR1)

ADC_SMPR1是ADC的采样周期设置寄存器：
在这里插入图片描述

Bit 23:0 SMPx[2:0]：通道X的采样周期设置：
- 000：1.5个周期
- 001：7.5个周期
- ……具体设置可以参阅手册。
总的采样时间计算为：
$T_{conv}=采样周期+12.5个周期$
这里我们可以根据需要进行设置。

5、ADC sample time register 2 (ADC_SMPR2)

同上

6、ADC regular sequence register 1 (ADC_SQR1)

ADC_SQR1与ADC_SQR2、ADC_SQR3都是用于在多通道采集时，设置通道采集顺序的寄存器。这里我们设置成1就好，因为没有多通道，不涉及顺序。

7、ADC regular data register (ADC_DR)

ADC普通通道采样数据寄存器：
在这里插入图片描述
可以看到，一个ADC功能虽然提供了很多寄存器（14个，上面没涉及的没有列出）进行设置，但是如果只考虑相关功能的寄存器，其实还是不多的，有了寄存器的基础，再使用库函数开发就更快了（当然也可能就抛弃库开发转向寄存器开发了，嘻嘻嘻）

程序设计

综合上述寄存器说明，结合STM32F103C8T6引脚图，可以选择PA2（ADC_IN2）作为ADC1采样电压输入引脚：

配置ADC1采样的引脚；
设置ADC1预分频；
设置ADC1为独立转换模式，不使用扫描功能，使能连续转换功能，并且设置转换数据为右对齐；
使能ADC1，并且进行校准；
最后开始转换，并读取AD采样数据，通过串口进行显示。

硬件连接

这里笔者用了一个很久很久之前买的按键键盘作为ADC电压输入，将电压信号接到PA2引脚上：
在这里插入图片描述
这个小键盘通过电阻对供电电压进行分压，当按下不同按键时，其输出端口OUT的电压不同，笔者正好趁这个机会，把每个按键按下的输出电压测一下，后续可以用这个键盘配合其他小模块写更有意思的程序。

ADC初始化程序

根据上面寄存器分析记过，在官方库中查找相应的库函数，编写ADC初始化程序，具体程序说明请看注释：

void ADC1_PA2_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef PA2InitStruct;
	// 同样，官方库为ADC初始化提供了对应的结构体，可以先在帮助手册中看看结构体的内容
	ADC_InitTypeDef ADC1InitStruct;
	
	// ADC1、GPIOA都挂载在APB2总线上，开启它们的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	// 设置GPIOA2为模拟输入
	PA2InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
	PA2InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_Init(GPIOA, &PA2InitStruct);
	
	// ADC1设置为独立模式
	ADC1InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	// 不使用扫描模式（就一个通道）
	ADC1InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
	// 设置为连续转换模式
	ADC1InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
	// 不使用外部触发ADC采样转换
	ADC1InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	// 设置AD转换数据右对齐
	ADC1InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
	// 一个通道-PA2对应ADC_IN2
	ADC1InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
	// 调用ADC_Init函数进行初始化，这里其实主要设置的是ADC_CR1和ADC_CR2寄存器，可以去函数定义里看看，体会一下
	ADC_Init(ADC1, &ADC1InitStruct);
	
	// 设置ADC1的预分频系数，APB2时钟信号为72MHz，6分频，即12MHz
	// 这里是设置RCC的RCC_CFGR寄存器的Bit 15:14，即ADC预分频器
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	
	// 设置ADC1的通道2（对应PA2），转换顺序设置为1（就一个通道）
	// 采样周期设置为41.5个，这样总的转换时间就是54个时钟周期，为4.5us
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 1, ADC_SampleTime_41Cycles5);
	
	// 使能ADC1，即设置ADC_CR2寄存器Bit0 ADON为1
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
	
	// 复位校准，即将ADC_CR2寄存器Bit3 RSTCAL置1
	ADC_ResetCalibration(ADC1);
	// 等待复位校准完成，即不断读取ADC_CR2寄存器Bit3 RSTCAL，若为0则表示已完成
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
	// 开始校准，即将ADC_CR2寄存器Bit2 CAL置1
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	// 同样等待校准完成，即不断读取ADC_CR2寄存器Bit2 CAL，若为0则表示已完成
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
	
	// 由于没有设置ADC外部触发，所以这里需要软件触发一次，这样在连续模式下，ADC就会一直采用转换了
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

其他程序说明

这里还使用了前几篇的delay与usart相关程序，笔者推荐将其放在单独的文件夹中，并包含进工程，这样不同外设的程序比较整齐，也方便后续扩展：
在这里插入图片描述

完整程序

这里只给出main.c中程序，其它程序请在博客的其它文章中参考：

#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);
}

运行结果

将程序编译下载运行：
在这里插入图片描述

完结撒花✿✿ヽ(°▽°)ノ✿

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