STM32 单片机 - ADC

一、ADC 介绍

ADC (analog-to-digital converter)：模数转换器 - 将模拟信号转换为数字信号

模拟信号 ：连续周期变化的信号，在时间和数值上都是连续变化的物理量。

数字信号 ：以离散的 0 和 1 组成的信号，在时间和数值上都是离散的物理量。
图 1 模拟信号和数字信号

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ADC 一般使用在电路中电流和电压的检测，以及传感器中数据的转换

STM32U575RIT6 可以使用 ADC1 和 ADC4 两个外设控制器进行模数转换

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二、ADC1 和 ADC4

2.1 模数转换原理

图 2 ADC1 和 ADC4

ADC 的采样位数：本质是采样精度，是将模拟信号转化为数字信号后的位数；

ADC1 转化后的数字信号是 14 位，ADC4 转化后的数字信号是 12 位

数据寄存器：存储转换后的数字信号
图 3 逐次逼近法原理图
图 4 逐次逼近法原理

ADC 转化使用的是 逐次逼近法

逐次逼近法：循环使用二分查找（折半查找）

AD4 的转化数字信号时 12 位，转换后的数字信号范围时 0 ~ 2¹²-1

2.2 模数转换公式

以 电压模拟信号转换 -> 电压数字信号 为例，使用 12 位的 ADC4

ADC转换后的数字信号 = 4096 / 3.3v * 1.2v

4096：采样位数的 ADC 最大转化范围（2¹²=4096，2¹⁴=16384）

3.3v：参考电压 / 供电电压

1.2v：待测电压

待测电压的数字信号 = (2^(ADC的采样位数) / 参考电压) * 待测电压的模拟信号

2.3 采样时机和偏移补偿

图 5 采样时机和偏移补偿图示

采样时机指的是ADC的采样保持电路在何时对模拟输入信号进行"采样"（捕获瞬时电压值）的精确时间点。

偏移补偿，也称为失调电压校准，目的是消除ADC输出代码中存在的固定的、系统的直流偏差。如果ADC采样发生偏移，此时采样得到的数据可能不是很准确，就需要使用硬件提供的偏移补偿机制（校准机制）初始化采样时机。

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三、ADC 采样模式

3.1 ADC1 的内部框图

图 6 ADC1 连接图
图 7 ADC1 描述

3.2 ADC4 内部框图

图 8 ADC4 连接图
图 9 ADC4 描述

3.3 ADC 的转化模式（采样模式）

图 10 ADC 的五种采样模式

单通道单次转化模式：

只使用 ADC 模数转换器中的一个独立通道，将输入到通道中的模拟信号转换为数字信号，并只转换一次就结束。

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单通道连续转换模式：

只使用 ADC 模数转换器中的一个独立通道，将输入到通道中的模拟信号转换为数字信号，结束一次后，自动进行下一次转化。

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单通道连续转化模式 = while(1) + 单通道单次转化模式

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多通道单次转化模式：

使用 ADC 模数转换器的多个通道，并都输入模拟信号，ADC 转换器根据通道的顺序，依次转换为数字信号，每个通道只转换一次。

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多通道连续转换模式：

使用 ADC 模数转换器的多个通道，并都输入模拟信号，ADC 转换器根据通道的顺序，依次转换为数字信号，所有通道转化完后，回到初始通道重新依次转换。

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多通道连续转化模式 = while(1) + 多通道单次转化模式

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间隔转化模式（间隔触发模式）：

给对应通道一个触发信号（触发源）后，ADC 模数转换器开始一次对通道中的模拟信号转换为数字信号。

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ADC的转化模式：独立模式（单通道模式）、扫描模式（多通道模式）、触发模式

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四、分析电路图

图 11 电路图分析

拓展板电压检测引脚：PB1

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五、CubeMX 配置

图 12 配置 PB1 引脚为 ADC4_IN19
图 13 参数设置

• ADCs_Common_Settings（ADC 通用设置）
  • Mode（模式）：Independent mode（独立模式（每个通道都是独立的））
• ADC_Settings（ADC 设置）
  • Clock Prescaler（时钟分频）：Asynchronous clock mode divided by 1（时钟分频（时钟频率 -> 影响 ADC 模数转化的速率））
  • Resolution（采样精度）：ADC 12 - bit resolution（采样精度（转化后的数字信号的位数）：12 位）
  • Data Alignment（数据对齐方式）：Right alignment（数据对齐方式：右对齐）
  • Sequencer（序列器）：Sequencer set to not fully configurable
  • Scan Conversion Mode（输入转化模式）：Forward（输入转化模式：标准模式（标准转化速率模式））
  • Continuous Conversion Mode（连续转化模式）：Disabled
  • Discontinuous Conversion Mode（不连续转化模式）：Disabled
  • DMA Continuous Requests（DMA 连续请求）：Disabled
  • End Of Conversion Selection（转换结束选择）：End of single conversion
  • Overrun behaviour（数据保存的机制）：Overrun data preserved（数据保存的机制：转化后的数字信号被存储到数据寄存器中可以使用追加 / 覆盖的方式）
  • Low Power Auto Wait（低功耗自动等待）：Disabled
  • Low Power Auto Off（低功耗自动关闭）：Low power disabled and auto off disabled
  • SamplingTime Common 1（通用采样时间 1）：1.5 Cycles（通用的采样时间：1.5 轮转化一次，轮的具体时间需要根据时钟频率来计算 理论上，采样时间越长，采样得到的数据越准确）
  • SamplingTime Common 2（通用采样时间 2）：1.5 Cycles
  • Trigger Frequency（触发频率）：Low frequency
  • External Trigger Conversion Source（外部触发转换源）：Regular Conversion launched by software（使用间隔触发模式时，需要设置）
  • External Trigger Conversion Edge（外部触发转换沿）：None
  • Oversampling Mode（过采样模式）：Disabled
  • Sampling Time（采样时间）：Sampling time common 1（使用采样时间 1）

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六、API 接口

ADC 采样和转化流程：

1. 开启 ADC 采样校准模式
2. 开启 ADC 采样转化功能
3. 等待采样+转化结束，数字信号被存放到数据寄存器中
4. 从数据寄存器中读取数字信号
5. 通过模数转化公式，将数字信号转换为模拟信号，并在串口终端打印

注意：ADC 的校准采样必须在开启采样前或者关闭采样后

6.1 HAL_ADC_Start 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef *hadc)

功能：

HAL库提供的用于开启ADC采样转化功能的函数

参数：

hadc：ADC4外设控制器的句柄

返回值：

函数执行成功，返回HAL_OK

函数执行失败，返回错误码

6.2 HAL_ADC_GetValue 函数

uint32_t HAL_ADC_GetValue(const ADC_HandleTypeDef *hadc)

功能：

HAL库提供的用于获取转化完毕的数字信号的函数

参数：

hadc：ADC4外设控制器的句柄

返回值：

返回成功获取的数字信号

6.3 HAL_ADC_PollForConversion 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint32_t Timeout)

功能：

HAL库提供的用于阻塞等待ADC采样+转化完毕，数据被存放到数据寄存器中的函数

参数：

hadc：ADC4外设控制器的句柄 Timeout：超时检测时间，当前函数的最大阻塞时间

返回值：

当ADC采样+转化数据完毕后，表示这个函数执行成功，函数执行成功，返回HAL_OK

当ADC采样+转化数据没结束时，此时这个函数处于阻塞状态

函数执行失败，返回错误码

HAL_MAX_DELAY 宏

#define HAL_MAX_DELAY      0xFFFFFFFFU

6.4 HAL_ADC_Stop 函数

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Stop(ADC_HandleTypeDef *hadc)

功能：

HAL库提供的用于关闭ADC采样转化功能的函数

参数：

hadc：ADC4外设控制器的句柄

返回值：

函数执行成功，返回HAL_OK

函数执行失败，返回错误码

6.5 HAL_ADCEx_Calibration_Start 校准采样函数

HAL_StatusTypeDef 
HAL_ADCEx_Calibration_Start
(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint32_t CalibrationMode, uint32_t SingleDiff)

功能：

HAL库提供的用于校准ADC采样的函数（此函数只需要开启一次即可）

参数：

hadc：ADC4外设控制器的句柄

CalibrationMode：校准模式的设置

ADC_CALIB_OFFSET 偏移量校准方式（最基础的）

ADC_CALIB_OFFSET_LINEARITY 硬件线性化校准（高级的） 线性化校准比偏移量校准更准确，一般使用一些高精度仪器上

SingleDiff：输入的模拟信号的选择

ADC_SINGLE_ENDED：输入单端信号（一个信号就代表一个电信号） ADC_DIFFERENTIAL_ENDED：输入差分信号（两个信号代表一个电信号）

返回值：

函数执行成功，返回HAL_OK

函数执行失败，返回错误码

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七、代码编写

7.1 单通道单次转换模式

1）main.c 重写 fputc 函数

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
int fputc(int ch,FILE* stream)
{
	HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,5);
	return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

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八、DMA 介绍

DMA (General purpose direct memory access controller)：通用可编程直接内存访问控制器

内存：广义的内存，包括虚拟内存地址和物理内存地址

DMA 本质是硬件缓冲区（FIFO）

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DMA 的作用

减轻 CPU 的压力，将简单的数据存储工作交给 DMA 去做，让 CPU 只负责逻辑处理和数据处理。
图 1 DMA 图示

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1. GPDMA 支持16 个独立通道，每个通道都可以用来独立暂存数据

2. GPDMA 的通道用于数据的暂存和传输

单通道传输模式：使用一个通道进行数据传输

多通道传输模式：使用多个通道进行数据传输

同一时刻，只能使用一个 DMA 通道进行数据传输

3. 使用 DMA 通道传输数据前，需要向 DMA 发送使用请求

谁先发送 DMA 通道请求，谁先使用 DMA 通道

4. DMA 通道具有优先级等级，优先级等级高的 DMA 通道线传输数据，分为 4 个等级：

（1）低优先级

（2）中优先级

（3）高优先级

（4）超高优先级

5. 使用 DMA 通道传输数据，一端是 Source 源设备(发送端)， 一端是 Destination 目标设备(接收端)

6. 使用 DMA 通道传输数据时，有 4 种数据传输方向：

（1）

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十一、代码编写

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
uint8_t buf[1024];
//中断标志
volatile int flag=0;

int fputc(int ch,FILE* stream)
{
	HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)&ch,1,1);
	return ch;
}
/* USER CODE END 0 */

 /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_GPDMA1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */
	//开启串口使用DMA通道接收中断
	HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,buf,sizeof(buf));
	//开启空闲中断
	__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1,UART_IT_IDLE);
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
		if(flag==1)
		{
			printf("buf=%s\n",buf);
			memset(buf,0,sizeof(buf));
			flag=0;
		}
		
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
	extern volatile int flag;
	extern uint8_t buf[1024];
  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
	if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_IDLE))
	{
		__HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1,UART_CLEAR_IDLEF);
		
		//手动关闭DMA通道
		HAL_UART_DMAStop(&huart1);
		
		//逻辑代码
		flag=1;
		
		//重新开启
		HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,buf,sizeof(buf));
	}
  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}