从零开始学嵌入式之STM32——34.ADC-模数转换

逐次逼近型：最常见，通过逼近法模拟信号的大小，性能均衡。
**sigma-delta：**通过比较两个信号的累积值和一个参考值，产生一个高精度的输出，精度高，但是转换时间长
**flash：**通过一组比较器和编码器，以高速并行的方式进行转换，速度快，但是分辨率低，精度一般。
（3）逐次逼近型工作原理简介
在STM32中的ADC模使用的就是逐次逼近型ADC，其工作原理类似砝码天平称重的原理。下图是芯片中的ADC电路图：

假如8位DA转换器的参考电压是256V（方便计算，这样二进制数每增加1，就代表了电压增加1）
待测电压33V
在测量时，会按照如下步骤测量：
规则：

每位单独置位电压：D7=128V、D6=64V、D5=32V、D4=16V、D3=8V、D2=4V、D1=2V、D0=1V
逻辑控制电路先将 8 位寄存器D7 位置位 ，DA 转换器输出电压128V；
比较器与待测电压比较，待测电压低于 128V，比较器输出低电平；
8 位寄存器D7 清零 ，D6 位置位 ，DA 转换器输出64V；
比较器与待测电压比较，待测电压低于 64V，比较器输出低电平；
8 位寄存器D6 清零 ，D5 位置位 ，DA 转换器输出32V；
比较器与待测电压比较，待测电压高于 32V，比较器输出高电平；
8 位寄存器D5 保持为 1 ，D4 位置位 ，DA 转换器输出 48V；
比较器与待测电压比较，待测电压低于 48V，比较器输出低电平；
8 位寄存器D5 保持、D4 清零 ，D3 位置位 ，DA 转换器输出 40V；
比较器与待测电压比较，待测电压低于 40V，比较器输出低电平；
8 位寄存器D5 保持、D4 清零、D3 清零 ，D2 位置位 ，DA 转换器输出 36V；
比较器与待测电压比较，待测电压低于 36V，比较器输出低电平；
8 位寄存器D5 保持、D4/D3/D2 清零 ，D1 位置位 ，DA 转换器输出32V；
比较器与待测电压比较，待测电压高于 32V，比较器输出高电平；
8 位寄存器D5、D1 保持 ，D0 位置位 ，DA 转换器输出33V；
比较器与待测电压比较，等于待测电压，比较器输出高电平；
总结：

以 8 位逐次逼近型 ADC、参考电压 256V 为例，逻辑控制电路从最高位 D7 到最低位 D0 依次逐位试探：先将最高位置 1，由 DAC 输出对应权值电压，与待测电压送入比较器对比；若待测电压低于 DAC 输出电压，该位清零；若高于，该位保留置 1；逐位试探完毕后，8 位寄存器中保存的二进制数值，即为待测电压对应的数字量。
比较器仅能输出高低电平，只能判断电压大小，无法识别电压相等；因此逐次逼近 ADC 必须从最高位到最低位逐位全部比较完成，不能中途提前结束转换。

三、ADC主要参数

（1）参考电压

作为 ADC 模数转换的电压基准，决定了 可测量模拟电压的最大幅度范围，所有模拟输入电压都以参考电压为量程上限进行量化换算。

（2）通道数

ADC 具备多路独立模拟输入接口， 通道数越多，可同时或分时采集更多路不同来源的模拟信号，如温度、电压、光照等多路模拟量。

（3）采样率

指 ADC 每秒能够完成的采样次数。采样率越高，ADC 捕捉高频变化模拟信号的能力越强，不易发生信号失真。

（4）分辨率

表示 ADC 能把满量程模拟电压划分成多少个 离散量化等级，通常以位数表示。
例如：12 位 ADC，总级数为 2^12 = 4096 个离散级别；位数越高，划分越精细，电压识别精度越高。

（5）转换时间

指 ADC 完成 一次模数转换所需要的时间，由 ADC 工作时钟频率、分辨率以及转换架构共同决定；分辨率越高，通常单次转换时间越长。

四、使用STM32中的ADC

在STM32中，集成了ADC功能，不同的系列里的资源有所不同，部分型号参考下图：

不论如何，所有系列至少都有一个ADC1，并且其功能基本上是通用的，我们就再ADC1上展开讨论。

（1）功能框图

（2）输入通道

ADC的输入通道用来输入模拟电压的通道，ADC1模块有18个通道：
*

16个外部通道（ADCx_IN ~ ADCx_IN15)，对应16个IO口；
内部温度传感器（测量芯片温度）：通道16；
内部电压，（测量芯片供电电压）：通道17。
所有的通道都接到了模拟多路开关，可以通过编程对通道进行控制，实现输入信号的选择和切换。
ADC同一时刻只能转换一路信号，在需要采集多路信号时，可以将多路信号进行排列，按照一定的顺序依次进行检测、转换、输出。在芯片中，为ADC设置了规则通道组和插入通道组两种类型的队列。
规则通道组：其实更应该翻译为常规组。
插入通道组：更应该翻译为特殊组，可以插队。

1.规则通道组

可理解为 常规 / 普通通道组，是最常用的转换队列。

最多可配置 16 个通道；
转换完成后，数据存入共用的规则数据寄存器 DR；
由于多通道共用一个寄存器，新数据会直接覆盖旧数据；
为避免数据丢失，必须及时读取数据 ，或开启 DMA 自动搬运。

2.注入通道组

可理解为 优先 / 可插队通道组，用于紧急、实时性要求高的信号。

最多支持 4 个通道；
每个通道拥有独立的数据寄存器，不会出现数据覆盖；
可随时打断规则通道的转换，执行优先级更高的任务；
转换完成后无 DMA 请求，通常由 CPU 直接读取。
**注意：**在ZET6系列芯片中，ADC2没有DMA通道，ADC1和ADC3有DMA通道

五、STM32 ADC 寄存器方式配置与使用

5.1 ADC 时钟配置

STM32的ADC模块的时钟频率不能超过14MHz，因此RCC外设中专门为ADC配置了预分频器（通过RCC->ADCPRE寄存器），用于选择输入时钟的分频系数，具体配置如下：
RCC->ADCPRE 寄存器配置（2位控制位）：

00：PCLK2 2分频
01：PCLK2 4分频
10：PCLK2 6分频
11：PCLK2 8分频

5.2 ADC 转换方式配置

ADC的转换方式主要通过ADC_CR1和ADC_CR2两个寄存器的对应位配置，分为扫描模式和连续/单次转换模式，具体如下：

5.2.1 扫描模式（ADC_CR1->SCAN）

开启（置1）：多通道转换模式，按顺序对通道组中的所有通道依次扫描、逐个转换；
关闭（置0）：单通道转换模式，仅转换通道组中第一个通道。

5.2.2 连续/单次转换（ADC_CR2->CONT）

开启（置1）：连续转换模式，转换一轮完成后，无需等待外部触发，自动开始下一轮转换，持续进行；
关闭（置0）：单次转换模式，转换一轮完成后停止，需等待下次触发（软件或外部触发）才能启动新的转换。

5.3 数据对齐模式选择

ADC的转换结果存储在16位的DR寄存器中，而ADC的分辨率为12位，因此存在数据对齐问题，通过ADC_CR2->ALIGN寄存器配置，默认采用右对齐模式，具体说明如下：

右对齐（默认）：转换结果的低12位有效，高4位补零，是实际使用中最常用的对齐方式；
左对齐：转换结果的高12位有效，低4位补零。
注意：注入组转换得到的结果包含符号位，若为正数，高位补0；若为负数，高位补1。

5.4 转换时间配置

ADC转换分为采样和模数转换两个阶段：首先使用若干个ADC时钟周期对输入电压进行采样（采样周期可通过寄存器配置），随后经过固定的12.5个ADC时钟周期完成模数转换。

5.4.1 总转换时间计算

总转换时间 = 采样时间 + 12.5个ADC周期
示例：当ADC时钟为14MHz（最大允许频率），假设采样时间配置为1.5个ADC周期，则总转换时间 = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期，对应时间为1μs（14MHz时钟周期为1/14μs，14个周期即1μs）。

5.4.2 采样时间配置寄存器

采样时间通过ADC_SMPR1寄存器进行配置，可根据实际需求选择不同的采样周期，以平衡转换速度和采样精度。

5.5 ADC 编码转换为电压数据

模拟电压经过ADC转换后，会得到一个12位的数字值，直接打印该数字值可读性较差，需将其转换为对应的模拟电压值。
实际设计中，ADC的输入电压范围通常设定为0~3.3V（与STM32的IO口供电电压匹配），由于ADC为12位分辨率，其满量程（所有位为1）对应的数字值为2¹² - 1 = 4095，数字值0对应模拟电压0V。
设转换后的数字值为x，对应的模拟电压为Y，两者满足以下等式（线性关系）：
Y = (x / 4095) × 3.3V
通过该等式可将数字值换算为直观的模拟电压。

5.6 ADC 核心寄存器详解与配置

ADC的所有配置均通过对应寄存器实现，以下为核心寄存器的功能及配置要点，结合前文配置需求，明确各寄存器的作用及使用方法：

5.6.1 控制寄存器2（ADC_CR2）关键位

CONT：连续转换控制位，对应5.2.2节，控制ADC为连续或单次转换模式；
ALIGN：数据对齐方式控制位，对应5.3节，控制转换结果为右对齐或左对齐，默认右对齐；
EXTTRIG：外部触发选择位，用于开启或关闭外部触发转换功能；
EXTSEL：触发源选择位，当开启外部触发（EXTTRIG置1）时，用于选择触发ADC转换的外部信号源；
SWSTART：软件触发控制位，置1时启动一次ADC转换（适用于软件触发模式）；
CAL：校准控制位，置1时启动ADC校准，校准完成后由硬件自动清零（校准需在ADC转换前执行，确保转换精度）；
ADON：ADC模块启动位，第一次置1启动ADC模块，再次置1触发一次ADC转换（单次转换模式下）。

5.6.2 规则序列寄存器（ADC_SQR1~3）

规则组通道的配置通过ADC_SQR1、ADC_SQR2、ADC_SQR3三个寄存器实现，具体要点如下：

ADC_SQR1->L：规则组通道长度控制位，4位宽度，取值范围0~15，对应规则组包含1~16个通道；
通道编号：STM32 ADC共18个通道，每个通道需用5位控制位表示，三个SQR寄存器共可提供80位（16×5）控制位，刚好覆盖1~16个规则通道的配置（ADC_SQR1_SQ相关位为5位宽度，用于配置具体通道号）。

5.6.3 采样时间寄存器（ADC_SMPR1）

用于配置各通道的采样时间，通过对应位的配置，可选择不同的采样周期（如1.5、7.5、13.5等ADC周期），结合ADC时钟频率，决定采样精度和转换速度（采样周期越长，采样精度越高，转换速度越慢）。

5.7 寄存器方式 ADC 完整配置流程（总结）

结合上述所有配置要点，寄存器方式配置ADC的完整流程如下：

配置 ADC 时钟 ：通过RCC->CFGR的ADCPRE位设置预分频，确保不超过 14MHz；

配置转换模式 ：通过ADC_CR1->SCAN设置扫描 / 单通道，ADC_CR2->CONT设置连续 / 单次；
配置数据对齐 ：通过ADC_CR2->ALIGN设置右对齐（默认）或左对齐；
配置采样时间 ：通过ADC_SMPR1/2设置各通道采样周期；
配置规则组通道 ：通过ADC_SQR1~3设置序列长度与通道号；
ADC 上电 ：置位ADC_CR2->ADON，给 ADC 上电（必须先上电）；
ADC 校准 ：置位ADC_CR2->CAL启动校准，等待CAL自动清零；
启动转换 ：软件触发置位SWSTART，或等待外部触发，开始转换；
读取数据 ：转换完成后读取DR寄存器，换算成电压。

六、寄存器方式使用ADC读取芯片内部温度与参考电压的实现

（1）整体思路

通过ADC的规则组队列采集多路信号时，为了防止DR中的数据被覆盖。需要打开ADC的DMA功能，每转换完成一路信号，通过DMA传送到内存中，确保数据的准确。

初始化函数：

ADC初始化：

1.时钟配置

2.ADC配置

2.1.工作模式：配置扫描模式

2.2.启用连续转换模式（单曲循环）

2.3.数据对齐，右对齐（默认）

2.4.通道配置

2.4.1.设置通道的采样时间SMPR寄存器 001代表7.5个周期

2.4.2.规则组通道序列配置-规则组通道数量配置--L

2.4.3.将通道号保存到通道序列中--SQR3（倒着排列的）

2.5.触发方式选择--使用软件触发AD转换

DMA初始化：

1.时钟配置

2.数据宽度配置

3.传输方向配置

4.地址自增配置

开始转换函数

1.上电唤醒

2.执行校准，等待校准完成

3.开启DMA（DMA必须在上电后开启，否则不生效）

3.1.设置DMA，源地址、目的地址、数据长度等

4.启动转换

5.等待转换完成

计算函数

1.读取数据后进行计算并输出

（2）实现代码

文件名adc.c

cpp 复制代码

#include "adc.h"
void ADC_Init(void)
{
    // 1.打开时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;

    // 2.ADC输入时钟频率设置，主时钟频率6分频-12MHz-10
    RCC->CFGR |= RCC_CFGR_ADCPRE_1;
    RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_ADCPRE_0;

    // 3.ADC工作模式配置
    // 3.1.扫描模式开
    ADC1->CR1 |= ADC_CR1_SCAN;
    // 3.2.连续转换模式开
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CONT;
    // 3.3.外部触发配置
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTTRIG;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTSEL;
    // 3.4.数据对齐设置，右对齐（默认）
    ADC1->CR2 &= ~ADC_CR2_ALIGN;
    // 3.5.使用芯片内部传感器，开启对应控制位
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_TSVREFE;

    // 4.转换列表配置，列表长度2
    ADC1->SQR1 &= ~ADC_SQR1_L;
    ADC1->SQR1 |= ADC_SQR1_L_0;
    ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ1;
    ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ2;
    ADC1->SQR3 |= 16 << 0;
    ADC1->SQR3 |= 17 << 5;

    // 5.采样频率设置，
    /*
        内置温度传感器的采样频率按照手册要求，不能低于17.1us，因此通道16的周期需要设置为239.5；-SMP - 111
        通道17为检测芯片工作电压，采样频率无需过高，也可以采用239.5
    */
    ADC1->SMPR1 |= ADC_SMPR1_SMP16;
    ADC1->SMPR1 |= ADC_SMPR1_SMP17;

    // 6.ADC模块上电
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;

    // 7.开启DMA（注意，该步骤需要在ADC模块上电后才可操作，否则无效）
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_DMA;
}

void ADC_Start_ON_DMA(uint16_t* data, uint16_t size)
{
    // 1.开启ADC校准,并等待校准完成
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CAL;
    while(ADC1->CR2 & ADC_CR2_CAL);

    // 2.设置DMA传输信息
    DMA_Truansit((uint32_t)&(ADC1->DR), (uint32_t)data, size);

    // 3.开启ADC转换
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
}

文件名：dma.c

cpp 复制代码

#include "dma.h"

void DMA_Init(void)
{
    // 1.打开时钟
    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    // 2.DMA工作模式配置
    // 2.1.数据宽度设置， 16位数据宽度-01
    DMA1_Channel1->CCR &= ~DMA_CCR1_MSIZE_1;
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_MSIZE_0;
    DMA1_Channel1->CCR &= ~DMA_CCR1_PSIZE_1;
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_PSIZE_0;
    // 2.2.数据传输方向设置，从外设读-DIR- 0
    DMA1_Channel1->CCR &= ~DMA_CCR1_DIR;
    // 2.3.地址自增设置，外设地址不自增，内存地址自增
    DMA1_Channel1->CCR &= ~DMA_CCR1_PINC;
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_MINC;
    // 2.3.循环模式配置，打开循环模式
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_CIRC;

    // // 3.开启DMA通道
    // DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_EN;
}

void DMA_Truansit(uint32_t src, uint32_t dst, uint16_t dataLen)
{
    // 1.暂停DMA通道
    DMA1_Channel1->CCR &= ~DMA_CCR1_EN;

    // 2.设置源地址
    DMA1_Channel1->CPAR = src;

    // 3.设置目的地址
    DMA1_Channel1->CMAR = dst;

    // 4.设置数据长度
    DMA1_Channel1->CNDTR = dataLen;

    // 5.开启DMA通道
    DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR1_EN;
}

文件名main.c

cpp 复制代码

#include "usart.h"
#include "dma.h"
#include "adc.h"
#include "delay.h"

int main(void)
{
    // data[0]存放通道16读取的温度原始值
    // data[1]存放通道17读取的电压原始值
    uint16_t data[2] = {0};

    float temperature = 0.0f;
    float voltage = 0.0f;

    Usart1_Init();
    DMA_Init();
    ADC_Init();
    ADC_Start_ON_DMA(data, 2);
    printf("test\n");
    while(1)
    {
        temperature = (1.43f - (float)data[0] * 3.3 / 4095.0f) / 0.0043f + 25.0f;
        voltage = (float)data[1] * 3.3 / 4095.0f;
        printf("Temperature = %.2f\nVoltage = %.2f\n", temperature, voltage);
        Delay_nms(1000);
    }
}

七、HAL库实现

（1）基础配置（按实际情况）

（2）ADC与DMA配置

（3）调用HAL库实现业务

cpp 复制代码

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint16_t adc_data[2] = {0};
  float temperature = 0.0f;
  float voltage = 0.0f;
  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_ADC1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 数据校准
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
  // adc开始转换
  HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_data, 2);
  //HAL_ADCEx_MultiModeStart_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_data, 2);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    temperature = (1.43f - (float)adc_data[0] * 3.3f / 4095.0f) / 0.0043f + 25.0f;
    voltage =  (float)adc_data[1] * 3.3f / 4095.0f;

    printf("temperature = %.2f\nvoltage = %.2f\n", temperature, voltage);

    HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */

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