STM32 ADC

STM32的ADC（模数转换器）是其内部重要的模拟信号采集外设。以下是关于STM32 ADC的核心概念、特性及基本使用方法的综合介绍。

一、ADC简介与主要特性

STM32的ADC是逐次逼近型（SAR）模数转换器 ，具有12位分辨率 ，这意味着其输出数字值范围为0至4095。它包含多个通道（具体数量因型号而异，例如F1系列最多有18个通道：16个外部通道和2个内部通道），用于测量外部模拟信号或内部信号（如温度传感器、内部参考电压）。

其主要特性包括：

• 多种转换模式：支持单次、连续、扫描和间断采样模式。
• 触发方式灵活：可由软件、外部事件（如定时器）或外部中断触发。
• 数据对齐 ：12位转换结果可存储在16位数据寄存器中，支持左对齐或右对齐（常用右对齐）。
• 独立通道采样时间：每个通道的采样时间可单独编程。
• 模拟看门狗：可设置电压阈值，当输入电压超出范围时产生中断。
• DMA支持：规则通道转换可产生DMA请求，实现数据自动搬运，不占用CPU。
• 输入电压范围 ：通常为0至3.3V（当VREF-接地，VREF+接VDDA时）。

二、ADC功能框图详解

1. 输入通道与分组 ：通道分为规则组 和注入组。规则组用于常规转换，最多16个通道；注入组最多4个通道，可中断规则组的转换序列，优先执行。
2. 转换顺序 ：规则组的转换顺序由寄存器ADC_SQR1~3设定；注入组的顺序由ADC_JSQR寄存器设定。
3. 转换模式 ：
   • 单次转换模式：触发一次，转换一个通道或序列后停止。
   • 连续转换模式：上一次转换结束后自动开始下一次转换。
   • 扫描模式：使能后，ADC会按预设顺序自动转换多个通道。
4. 数据寄存器 ：规则组转换结果存储在ADC_DR寄存器中；注入组的结果存储在ADC_JDRx寄存器中。

三、关键概念

• 数据对齐：12位结果在16位寄存器中可右对齐（直接读取）或左对齐（读取高8位可快速获取高8位结果，但数值放大了16倍）。
• 转换时间 ：总转换时间 = 采样时间 + 12.5个ADC时钟周期。采样时间可配置，ADC时钟（ADCCLK）由APB2时钟分频得到，最高通常为14MHz。例如，ADCCLK=12MHz，采样时间设为1.5周期，则最短转换时间约为1.17μs。
• 校准：上电后建议执行ADC校准，以提高转换精度。

四、常见应用配置（基于HAL库）

1. 单通道轮询采集

适用于单路信号、非连续或低速采集的场景。

• 配置要点 ：
  • 模式：独立模式、非扫描、单次转换、软件触发。
  • GPIO ：将对应引脚配置为模拟输入模式。
• 基本步骤 ：
  1. 使能ADC和GPIO时钟。
  2. 初始化GPIO为模拟输入。
  3. 配置ADC句柄：设置对齐方式、扫描模式（禁用）、连续转换模式（禁用）、通道数、触发源（软件触发）等。
  4. 调用HAL_ADC_Init()初始化ADC。
  5. 执行校准HAL_ADCEx_Calibration_Start()。
  6. 配置通道参数（通道号、采样时间、规则组排名）。
  7. 启动转换HAL_ADC_Start()。
  8. 轮询等待转换完成HAL_ADC_PollForConversion()。
  9. 读取转换值HAL_ADC_GetValue()。

2. 多通道DMA采集

适用于多路信号、连续高速采集，能有效减轻CPU负担。

• 配置要点 ：
  • 模式：独立模式、扫描模式、连续转换模式、软件触发。
  • 使能ADC的DMA请求。
• 基本步骤 ：
  1. 使能ADC、GPIO和DMA时钟。
  2. 初始化GPIO为模拟输入。
  3. 配置DMA：设置外设地址（ADC数据寄存器）、内存地址（存储数组）、数据方向（外设到内存）、数据宽度、循环模式等。
  4. 配置ADC句柄：使能扫描和连续转换，设置通道数。
  5. 初始化ADC并校准。
  6. 配置多个ADC通道及其采样时间、顺序。
  7. 使用__HAL_LINKDMA()将ADC句柄与DMA句柄关联。
  8. 启动DMA传输HAL_ADC_Start_DMA()。
  9. 转换完成后，DMA自动将数据搬运到指定数组，并可触发DMA传输完成中断。

五、HAL库配置流程总结

使用STM32CubeMX或代码配置时，一般遵循以下流程：

1. 时钟与GPIO初始化：使能外设时钟，配置模拟输入引脚。
2. ADC参数初始化 ：通过ADC_InitTypeDef结构体配置工作模式、对齐方式、触发源等。
3. ADC校准：执行上电校准。
4. 通道配置 ：通过ADC_ChannelConfTypeDef结构体为每个通道设置排名和采样时间。
5. 启动与数据获取：根据需求选择轮询、中断或DMA方式启动转换并获取数据。

对于更高级的应用，如读取内部温度传感器或参考电压（VREFINT），需注意其对应的特定内部通道（如ADC1通道16、17），并参考数据手册中的计算公式将ADC值转换为实际物理量。