【STM32-MBD】（12）Simulink 模型开发之ADC

STM32-MBD（1）Matlab2022/2023 安装 STM32 硬件支持包
 STM32-MBD（1b）Matlab2025b 安装 STM32 硬件支持包
 STM32-MBD（2）Simulink 模型部署入门：点灯
 STM32-MBD（11）Simulink 模型开发之定时器
 STM32-MBD（12）Simulink 模型开发之ADC

【STM32-MBD】（12）Simulink 模型开发之ADC

- [1. 项目简介](#1. 项目简介)
- - [1.1 项目内容](#1.1 项目内容)
  - [1.2 软硬件条件](#1.2 软硬件条件)
- [2. 用 STM32CubeMX 创建工程](#2. 用 STM32CubeMX 创建工程)
- - [2.1 基础配置](#2.1 基础配置)
  - [2.2 ADC 配置](#2.2 ADC 配置)
  - [2.3 项目配置](#2.3 项目配置)
- [3. Simulink 仿真模型](#3. Simulink 仿真模型)
- - [3.1 创建仿真模型](#3.1 创建仿真模型)
  - [3.2 关联 Simulink 模型与 CubeMX 工程](#3.2 关联 Simulink 模型与 CubeMX 工程)
- [4. STM32 代码生成与运行](#4. STM32 代码生成与运行)
- - [4.1 从 Simulink 模型生成 STM32 代码](#4.1 从 Simulink 模型生成 STM32 代码)
  - [4.1 Simulink 在线监控](#4.1 Simulink 在线监控)

在基于 Model-Based Design（MBD）的 STM32 开发流程中，ADC（模数转换器）是连接物理世界与数字系统的第一道入口。

无论是电压、电流、温度，还是电位器、传感器信号，最终都需要通过 ADC 转换为可处理的数字量。

本文完成一个最小但完整的 ADC 单通道采样实验：

使用 Simulink 读取 Nucleo STM32 开发板上的旋钮（电位器）电压，
生成 STM32 工程代码并在开发板上运行。

1. 项目简介

1.1 项目内容

本文以 STM32G431 为目标平台，介绍如何使用 Simulink 构建 ADC 单通道采样模型，并生成代码部署到 STM32 开发板运行。

本实验的目标是：

使用 STM32 ADC 单通道采样；
采集 Nucleo 开发板板载旋钮（电位器）对应的模拟电压；
在 Simulink 模型中直接调用 ADC 模块；
完成代码生成、下载并在开发板上稳定运行。

1.2 软硬件条件

关于所需的软硬件条件和安装过程，详见【STM32-MBD】（1）安装 Simulink STM32 硬件支持包。

强烈建议安装相关软件时使用推荐版本。

请严格按照文中介绍的步骤安装和配置软件。

必需的硬件：

STM32 开发板（如：NUCLEO-G431RB 开发板，也可以选择其它 STM32 开发板，但需要安装对应的固件包）。
Micro-micro USB 数据线，或 USB Type-A 至 Micro-B 连接线缆，用于将STM32 Nucleo 板连接到 PC。

必需的软件：

STM32 开发工具（建议首先严格使用推荐版本跑通本文项目）
- STM32CubeMX （推荐使用 V6.4.0）
- STM32CubeProgrammer （推荐使用 V2.6.0）
- STM32CubeIDE（或 Keil，MDK-ARM 等 IDE 工具）
- STM32Cube_FW_G4 固件包（推荐采用 V1.5.0）
  如果使用其它 STM32 MCU，则需选择对应的固件包。例如使用 STM32F4 时则要选择STM32Cube_FW_F4_V1.26.0 固件包。
MATLAB/Simulink（本文使用 MATLAB R2022b，可以采用更新版本）
- Simulink Coder：从 Simulink 模型、Stateflow 图和 MATLAB 函数生成并执行 C 和 C++ 代码，用于实时和非实时应用，包括仿真加速、快速原型构建和硬件在环测试
- STM32 嵌入式硬件支持包，Embedded Coder Support Package for STMicroelectronics STM32 Processors，STM32 处理器的嵌入式硬件支持包 youcans

2. 用 STM32CubeMX 创建工程

2.1 基础配置

本例直接使用 STM32CubeMX 创建新的 STM32 工程。也可以从 Simulink 创建 STM32CubeMX 工程。

打开 STM32CubeMX。
选择 New Project（或Ctrl-N快捷键）新建工程，进入 New Project 界面。

选择 STM32G431RB 作为目标 MCU（参考开发板的 MCU 型号）新建 CubeMX 工程，将工程保存为 "STM32G431_ADC01.ioc"。
自动转入 CubeMX 的 Pinout Configuration 视图，进行管脚配置：

（1）选择 "System Core -- SYS" 设置调试器类型，将 Debug 模式设为 "Serial Wire"。

（2）选择 "System Core -- SYS" 设置基础时钟源，将 Timebase Source 设为 "TIM2"------非常重要！

注意：Timebase Source 默认为 "SysTick"，但在 STM32支持包中 "SysTick" 已经用作框架的基础时间功能，因此必须修改为非"SysTick" 的其它定时器。否则在编译项目时会报错------非常重要！。

（3）选择 "System Core -- RCC" 配置时钟模式，设置高速晶振为外部时钟，将 High Speed Clock (HSE) 设为 "Crystal/Ceramic Resonator"。

（4）可选地，选择 "System Core -- GPIO" 配置 GPIO。

搜索 PA5 管脚（在 NUCLEO 开发板中连接LD2 灯），将其设置为 GPIO_Output。
搜索 PC13 管脚（在 NUCLEO 开发板中连接蓝色用户按键 User Button），将其设置为 GPIO_EXTI13。

（5）设置虚拟串口（LPUART）

如需要使用串口发送 ADC/DAC 数据到 PC 来显示波形：启用 LPUART1，模式设为 Asynchronous；波特率设置为 115200；引脚使用默认的 PA2（TX）/PA3（RX），连接到 Nucleo 板上的 ST-LINK 虚拟串口。

2.2 ADC 配置

板载旋钮（电位器）所连接的 ADC 引脚（如 PC2 → ADC1_IN8，具体以开发板原理图为准），

选取 ADC1 进行 ADC 配置，将ADC1 IN8 配置为IN8 Single-ended ，然后右键选择PC2 管脚，将其配置为 ADC1_IN8，此处管脚配置是为了后续将其作为旋钮的ADC进行使用。

启用并配置 ADC 通道
（1）选择 "引脚配置（Pinout & Configuration）"，从左侧下拉列表中选择 "Analog -- ADC1" ，使用 IN8（PC2）作为模拟输入通道，将 IN8 设置为 "IN8 Singel-ended"。在 Pinout view 视图中，将 PC2 引脚配置为 "ADC1_IN8"。
（2）开启独立通道 IN8，设置为 "IN1 Single-ended"。
（3）配置 ADC 工作模式和参数。

bash 复制代码

ADCs_Common_Settings
   Mode: Independent mode
ADC_Settings
   Clock Prescaler: Asynchronous clock mode divided by 4
   Resolution: ADC 12-bit resolution
   Data Alignment: Right alignment（右对齐）
   Gain Compensation: 0
   Scan Conversion Mode：Disable
   End of Conversion Selection：End of single of conversion
   Continuous Conversion Mode: Disable
   DMA Continuous Requests: Disabled
Number of Conversion: 1  
Rank 1: 
   Channel: Channel 8
   Smapling Time: 24.5 Cycles
   Offset Number: No offset

2.3 项目配置

在 Clock Configuration 视图进行时钟配置，如下图所示。
本实验对于时钟时钟设置没有太多要求，只要设置正确即可。本例中使用外部 160MHz晶振，具体设置如下图所示，只供参考。
点击菜单栏 "Project Manager" 进入工程配置界面，如下图所示。
（1）在 Project Name 输入项目名称 "STM32G431_ADC01"。
（2）在 Toolchain/IDE 选择 IDE 工具为 "STM32CubeIDE"（也可以根据需要选择其它 IDE 工具）。
（3）在 "Project Manager" 继续向下拉，"在 MCU and Firmware Package" 栏中，取消选中 "Use latest available version"，根据所安装的 G4 固件版本，选择 "STM32Cube FW_G4 V1.6.0"；
（4）如果固件包不是安装在默认路径，则要取消选中 "Use Default Firmware Location"，通过 Browse 选择固件包的安装路径。

（5）在 Code Generator 中，勾选 "Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral"，让每个外设生成独立的'.c/.h'文件。

（6）在 Advanced Settings 中，**将 "Driver Selector" 全部设置为 "LL"（默认为 "HAL"），为外设选择低级 (LL) 驱动------非常重要！** 否则编译会报错。

（7）在 Advanced Settings 中，将 "Generated Function Calls" 的 "Visibility(Static)" 勾选项全部取消，对所有外设初始化函数调用取消选择可见性(静态)。

完成以上配置后，使用快捷键 "CTL+S" 或点击 File--Save Project，保存 CubeMX 项目文件。
注意：在 STM32CubeMX 中配置完成后，不要点击 "GENERATE CODE" 生成代码，而是直接保存项目文件 "STM32G431_ADC01.ioc"。

3. Simulink 仿真模型

3.1 创建仿真模型

在 CubeMX 项目文件所在的路径（例如："D:\SimulinkProjects\STM32G431_ADC01"）下新建 Simulink 仿真模型，注意 *仿真模型 .slx 与 CubeMX 项目 .ioc 要保存在同一个目录下。

运行 MATLAB 软件，打开 Simulink。点击 "空白模型" 创建新的 Simulink 模型，保存到本项目路径下：STM32G431_ADC01.slx。
在仿真模型中添加 ADC 模块。

（1）点击菜单栏的 "库浏览器" 打开库浏览器，展开 "Embedded Coder Support Package for STMicroelectronics STM32 Processors -- STM32G4xx Based Boards"。

（2）选择 "Analog to Digital Converter" 模块，将其拖动到右侧的模型。

（3）根据 CubeMX 项目中的配置，设置 "Analog to Digital Converter" 模块参数：

c 复制代码

ADC module: ADC1
Conversion group: Regular
Trigger mode: Trigger and read
Number of conversions: 1

在仿真模型中添加 Matlab Function 模块。
（1）点击菜单栏的 "库浏览器" 打开库浏览器，展开 "Simulink - User-Defined Function"。
（2）选择 "Matlab Function" 模块，将其拖动到右侧的仿真模型。
（3）根据 STM32G431 数据手册中的公式，编写函数计算电压值。

3.2 关联 Simulink 模型与 CubeMX 工程

在 Simulink 菜单选择 "建模" - "模型设置" （也可以用 CTRL+E），打开"配置参数"对话框。
左侧边栏中选择"求解器"，如下图所示。
（1）在右侧 "仿真时间" 设置为 "inf"。
（2）在 "求解器选择" 选项设置类型为 "定步长"，"固定步长（基础采样时间）" 设为 "1e-3" （对应于 MCU 的 ADC 采样频率为 1KHz）。
（3）可选地，在 "任务和采样周期选项"下勾选："将每个离散速率视为单独任务"和"自动处理数据传输的速率转换"。
在右侧 "硬件实现（Hardware board settings）" 配置 "Target hardware resources" ，关联 STM32CubeMX 工程文件。
（1）检查 PC 与 STM32G431 开发板连接正常。 在 "Hardware board" 选项的下拉框中选择 "STM32G4xx Based".
注意：必须确保 PC 与 STM32G431 开发板连接正常，才能进行硬件配置。
（2）点击 "Browse" 选择当前项目的目录，选择 CubeMX 创建的工程文件 "STM32G431_ADC01.ioc"。
选择硬件在环通信串口。
完成搭建仿真模型，保存为文件 STM32G431_ADC01.slx。注意仿真模型 .slx 与 CubeMX 项目 .ioc 要保存在相同的路径下。

4. STM32 代码生成与运行

4.1 从 Simulink 模型生成 STM32 代码

用 USB连接线连接 PC 与 NUCLEO-G431RB 开发板。
在 Simulink 打开仿真模型 STM32G431_ADC01.slx。
在 "硬件（Hardware）" 窗口点击 "编译、部署和启动"（Ctrl+B 快捷键），就启动模型 STM32G431_ADC01 的编译过程，为模型生成代码，并加载到 NUCLEO-G431RB 开发板。

模型编译过程的主要信息显示在 "诊断查看器" 中，编译摘要如下。

c 复制代码

=== 模型保存(STM32G431_ADC01) (已用时间: 0.109 秒) ===
    ### 正在启动 STM32G431_ADC01 的编译过程
    ### 正在为 '模型特定' 文件夹结构生成代码和工件
    ### 正在将代码生成到编译文件夹中: C:\MATLAB\MBD_STM32G431\STM32G431_ADC01\STM32G431_ADC01_ert_rtw
...
    ### 使用工具链: GNU Tools for ARM Embedded Processors
    ### 正在创建 'C:\MATLAB\MBD_STM32G431\STM32G431_ADC01\STM32G431_ADC01_ert_rtw\STM32G431_ADC01.mk'...
    ### 正在编译 'STM32G431_ADC01': "C:\MATLAB\R2023b\bin\win64\gmake"  -f STM32G431_ADC01.mk all
...
    Download verified successfully youcans@qq.com
    ### Successful completion of build procedure for: STM32G431_ADC01
    ### 'STM32G431_ADC01' 的 Simulink 缓存工件是在 'C:\MATLAB\MBD_STM32G431\STM32G431_ADC01\STM32G431_ADC01.slxc' 中创建的。
    编译过程已成功完成

编译的顶层模型目标:
    
    模型               操作           重新编译原因     
    =========================================
    STM32G431_ADC01  代码已生成并完成编译。  增量校验和已更改。  
    
    编译了 1 个模型，共 1 个模型(0 个模型已经是最新的)
    编译持续时间: 0h 0m 57s

4.1 Simulink 在线监控

目前的程序只是采集电压，并没有进一步处理或显示，因此我们并不了解具体的运行情况。

Simulink 外部模式配置：

在 Simulink 菜单栏选择 "建模 - 模型设置" （也可以用 CTRL+E 唤出），打开"配置参数"对话框

（1）配置仿真输出：

点击 "数据导入/导出"，取消勾选 "单一仿真输出"。

（2）配置串口连接：

在 "硬件实现-Target hardware resources" 选择 "Connectivity"，将 "USART/UART" 设为 "LPUART1"，将 "Serial port" 设为电脑上的 COM 端口。具体端口号可以查看电脑 "设备管理器" 中的 "端口(COM和LPT)"。

点击 "确定" 保存上述配置。
设置要监测的信号。

（1）用鼠标单击一根信号线，使信号线高亮。

（2）点击鼠标右键唤出菜单条，选中 "记录所选信号（Log Selected Signals）"，将该信号标记为监测信号。

（3）在标记的信号线上会出现一个小圆点发射的图标，如下图所示。

在 Monitor & Tune（外部模式）下，MCU（STM32）在开发板上真实运行，Simulink 不会自动把所有信号传回 PC，只有被明确标记为 "记录（Log）" 的信号才会通过 XCP 从 MCU 上传到 PC。
基于 SDI 在线监控

在外部模式下，控制算法运行在 STM32G431 的目标硬件上，模型时间来自目标端本地计时器，Simulink 主机不再控制仿真时间推进。在线监控与调节主要依赖 "数据检查器（Simulation Data Inspector, SDI），而非 Scope 模块。

完成信号记录后，启动 "Hardware → 监控与调节（Monitor & Tune），即可打开 "数据检查器（SDI）" 对数据进行观察。

（1）SDI 左侧显示 Run 列表（每次外部模式运行对应一个 Run）

（2）展开当前 Run，勾选已记录的信号 Vraw、Vout。

（3）勾选后，信号曲线会自动显示在右侧绘图区。
旋转板载旋钮，ADC 采样值随旋钮位置连续变化。

小结：

通过本实验，我们验证了 STM32-MBD 流程中 ADC 模块的可用性，成功采集并处理了板载旋钮的模拟电压。

（本节完）

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