STM32 的ADC使用指南

ADC简介

ADC，即模数转换器（Analog-to-Digital Converter），是一种在微控制器（如STM32）中常见的设备，它能够将模拟信号转换为数字信号。简单来说，我们的现实世界中大部分的信号都是模拟的，比如声音、光线强度、温度等，它们的变化是连续的。而微控制器是数字设备，它处理的是0和1的数字信号。 ADC让我们可以读取模拟信号的值，然后将这个连续变化的信号转换成一系列数字，微控制器就可以读取这些数字进行进一步的处理了。举个例子，如果你有一个测量温度的传感器，它输出的是电压变化，你可以用ADC读取这些电压变化，然后转换成温度值。在STM32等微控制器中，ADC的分辨率通常是12位的，这意味着它可以将模拟信号转换为0到4095之间的数字值（2的12次方等于4096个不同的值）。如果ADC是10位的，它就可以输出0到1023之间的值（2的10次方等于1024个不同的值）

ADC可以读取哪些模拟信号？

电压信号：直接测量通过电阻分压器或其他电压源产生的电压。
电流信号：通过电流传感器如霍尔效应传感器产生的模拟输出。
压力信号：使用压力传感器将压力变化转换为电压信号读取。
光强信号：例如利用光敏电阻或光敏二极管测量环境的光线强度。
湿度信号：通过湿度传感器，将环境的湿度变化转换为可读的电压信号。
声音信号：通过麦克风传感器将环境中的声波转换为电压信号。

ADC的分辨率和采样速率有什么关系？

ADC的分辨率和采样速率是两个不同的概念，它们描述了模数转换器的不同特性：

分辨率：分辨率决定了ADC可以区分的最小电压差值。由ADC的位数决定，位数越高，分辨率越高，能够检测到的最小电压变化就越小。例如，一个12位的ADC具有2^12（4096）个不同的可能的输出值。
采样速率：采样速率（或采样频率）是ADC单位时间内可以执行的采样次数。它通常以赫兹(Hz)为单位。采样率越高，ADC就能够更频繁地采集数据，更好地跟踪快速变化的信号。

两者之间的关系是，在保持一定的分辨率的条件下，增加采样速率可能需要更强大的ADC性能和更高的处理能力。同时，根据奈奎斯特定理，为了准确地重建一个模拟信号，采样频率需要至少是信号最高频率的两倍。总的来说，分辨率描述了ADC测量精度的能力，而采样速率描述了ADC测量频率的能力。在实际应用中，两者需要根据具体的测量需求和性能要求来平衡选择。

STM32中ADC的工作原理

在STM32微控制器中，ADC（模数转换器）的工作原理基于将模拟信号（如电压）转化为数字值的过程。以下是ADC在STM32中的基本工作方式：

采样 - ADC首先对模拟信号进行采样，即在特定的时刻捕获信号的值。STM32的ADC可以配置为手动触发采样或通过定时器等外部事件自动触发。
保持 - 模拟信号被ADC的采样保持电路捕获并保持在一定时间内，这样便于转换电路准确读取到这个值。保持时间需要足够长，以确保转换的准确性。
量化 - 模拟信号通过ADC内的量化电路转换成数字值。量化过程是将采样的模拟信号划分到一定数量的离散区间内，并将这个模拟信号转换为代表这个区间的数字值。在STM32的ADC通常可以是12位的，即4096个区间。
转换 - 量化后的数字信号是模拟信号的近似数字表示。这个数字最终通过ADC寄存器可以被微控制器读取和处理。
输出 - 微控制器通过读取ADC数据寄存器，获取转换结果。这个结果通常是以二进制或十六进制的格式表示，但可以根据需要，通过软件算法转换成相应的物理单位（比如温度、压力等）。

在STM32中，通过配置ADC寄存器，开发者可以定制化ADC工作方式，例如选择不同的采样时间、分辨率、通道，以及是否启用连续采样或单次采样等。每个STM32系列的微控制器可能有多个ADC模块，并且每个ADC模块可能有多个通道。基于具体的应用需求，开发者可以选择合适的ADC以及相应的配置来进行数据的采集和处理。

重要寄存器

ADC_CommonInitTypeDef：这不是一个单独的寄存器，但它是一个结构体，用于初始化ADC的通用设置，适用于包含多个ADC模块的STM32芯片。
ADC_CR1 和 ADC_CR2（控制寄存器1和2）：这些寄存器用于控制ADC的主要功能，如转换分辨率、连续转换模式、触发源选择等。
ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2（采样时间寄存器1和2）：这些寄存器用于配置各个ADC通道的采样时间。
ADC_HTR 和 ADC_LTR（看门狗高阈值和低阈值寄存器）：如果使用模拟看门狗功能，将会用到这些寄存器来设置高低阈值。
ADC_SQR1 、ADC_SQR2 和 ADC_SQR3（规则序列寄存器）：用于设置规则转换序列和每次序列要转换的通道数量。
ADC_JSQR（注入序列寄存器）：如果使用注入通道功能，用于设置注入序列和转换的通道。
ADC_DR（数据寄存器）：用于读取转换结果的电压值。
ADC_CCR（公共控制寄存器）：适用于一些特定的STM32芯片，用于控制与多个ADC模块相关的某些特性，如温度传感器、Vrefint引用电压等。

如何配置这些寄存器

在程序中配置STM32的ADC寄存器，一般需要以下步骤：

启用ADC和GPIO时钟 ：使用RCC_APB2PeriphClockCmd()函数启用ADC和与ADC输入通道相对应的GPIO端口的时钟。
cpp 复制代码
```
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOx, ENABLE);
```

配置ADC使用的GPIO为模拟输入模式 ：将GPIO端口配置为模拟输入模式以用于ADC。

cpp 复制代码

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_x; // 替换x为实际的引脚 
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; 
GPIO_Init(GPIOx, &GPIO_InitStructure); // 替换x为实际的端口

复位并初始化ADC ：创建ADC_InitTypeDef结构体并使用ADC_StructInit()函数进行初始化。
cpp 复制代码
```
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_StructInit(&ADC_InitStructure);
```

配置特定于ADC的寄存器 ：

使用ADC_Init()函数配置ADC_CR1和ADC_CR2。
根据ADC通道数配置ADC_SMPR1和ADC_SMPR2。

设定ADC转换序列与转换次数（ADC_SQR1, ADC_SQR2和ADC_SQR3）。

cpp 复制代码

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; // 或 ENABLE，取决于是单通道还是多通道 

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // 或 DISABLE 

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; 
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; // 根据需要设置通道数

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure); 
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_x, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); // x是通道号

校准并启用ADC ：在诸如ADC_CR2这样的寄存器中启用ADC然后启动校准过程。

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ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); ADC_ResetCalibration(ADC1); 

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); ADC_StartCalibration(ADC1); 

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

启动ADC转换 ：软件启动ADC或配置触发器自动启动转换。
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```
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
```
读取ADC值 ：从ADC_DR寄存器读取转换结果。
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```
uint16_t ADC_Value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
```

请根据具体的STM32型号和库函数版本查看参考手册和标准外设库，因为不同的型号和库函数版本有一些差异。这些设置应作为指导，应根据你实际使用的STM32系列进行调整。

完整示例代码

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_adc.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
void ADC1_Init(void) {
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 1. 使能ADC1和GPIO端口时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    // 2. 配置PC.04 作为模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
    // 3. ADC结构体初始化
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    // 4. 配置ADC1的通道11为顺序进行规则转换的第一个转换
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_14, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    // 5. 使能 ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    // 6. 初始化ADC1的校准寄存器，并开始校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
    // 7. 开始转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}
int main(void) {
    // 初始化ADC
    ADC1_Init();
    while (1) {
        // 检测转换结束
        while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
        // 读取ADC转换结果
        uint16_t ADC_Value = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        // ... 使用ADC_Value进行其他操作
    }
}

这份代码是非常基础的STM32使用ADC的例子，使用标准外设库函数进行简单的ADC配置和读取。步骤如下：

使能GPIO和ADC时钟。
设置ADC使用的GPIO口为模拟输入模式。
对ADC进行基础配置，如工作模式，数据对齐方式等。
设置ADC通道，这里以通道14为例。
使能ADC并校准。
开始ADC转换。