STM32CubeMX系列|ADC模數轉換

ADC模數轉換

1. ADC簡介

ADC（analog to digital converter）即模數轉換器，它可以將模擬量訊號轉換為數字訊號，按照轉換原理主要分為逐次逼近型、雙積分型、電壓頻率轉換型三種。STM32F1的ADC是12位逐次逼近型的模數轉換器，它有18個通道，可測量16個外部和2個內部訊號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式儲存在16位儲存暫存器中。模擬看門狗特性允許應用程式檢測輸入電壓是否超出使用者定義的高/低閾值。ADC的時鐘不要超過14M，否則將導致結果準確度下降。ADC結構框圖以及ADC引腳說明如下圖示：

• 電壓輸入引腳和輸入通道引腳見上表；另外主ADC1中還有2個內部通道：通道16連線到晶片內部的溫度感測器，通道17連線到了內部參考電壓V_REFINT；ADC2/ADC3的通道16/17都連線到了內部的V_SS
• ADC的轉換分為兩個通道組：規則通道組（16路）和注入通道組（4路），規則通道相當於正常執行的程式，注入通道相當於中斷
• 選擇好輸入通道和轉換順序後需要使能ADC，可以直接開啟ADC轉換或者選擇外部事件觸發轉換
• ADC最大工作頻率為14M，一般設定分配因子為6，即ADC的輸入時鐘ADC_CLK = 12M
• ADC要完成對輸入電壓的取樣需要若干個ADC_CLK週期，取樣週期最小是1.5個（即如果要達到最快的取樣，應設定取樣週期為1.5個週期，即1.5乘以1/ADC_CLK）
• ADC的總轉換時間T_conv= 取樣時間 + 12.5個週期；按以上設定的話，T_conv= （1.5+12.5）個週期 = 14 * (1/12M) = 1.17us，即最短轉換時間為1.17us
• ADC轉換後的資料根據不同的轉換組，放在不同的資料暫存器（16位）中；由於ADC是12位轉換精度，而資料暫存器是16位，因此存放資料的時候有左對齊和右對齊之分
• 規則組含有16個通道但是對應存放資料的暫存器只有一個，如果使用多通道轉換則應當在通道轉換完成後就把資料取走，或者開啟DMA模式把資料傳輸到記憶體裡，否則就會造成資料的覆蓋
• 使能相應中斷標誌位，ADC能3種產生相應中斷：規則轉換與注入轉換結束、模擬看門狗事件、DMA請求

2. 硬體設計

本實驗通過ADC1通道1取樣外部電壓值，將取樣的AD值和轉換後的電壓值通過USART1串列埠列印出來，同時D1指示燈閃爍，提示系統正常執行

• D1指示燈
• ADC1_INT1
• USART1串列埠
• 電位器

3. 軟體設計

3.1 STM32CubeMX設定

• RCC設定外接HSE，時鐘設定為72M，ADC預分頻因子設定為6，ADC_CLK為12MHz

• PC0設定為GPIO推輓輸出模式、上拉、高速、預設輸出電平為高電平
• USART1選擇為非同步通訊方式，波特率設定為115200Bits/s，傳輸資料長度為8Bit，無奇偶校驗，1位停止位
• 啟用ADC1通道1，設定右對齊，關閉掃描、連續及間斷模式，使能regular conversion，設定軟體觸發、設定取樣時間1.5個週期

• 輸入工程名，選擇工程路徑（不要有中文），選擇MDK-ARM V5；勾選Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；點選GENERATE CODE，生成工程程式碼

3.2 MDK-ARM程式設計

• 在adc.c檔案中可以看到ADC初始化函式

void MX_ADC1_Init(void){
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  hadc1.Instance = ADC1;
  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK){
    Error_Handler();
  }
  /** Configure Regular Channel*/
  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK){
    Error_Handler();
  }
}

void HAL_ADC_MspInit(ADC_HandleTypeDef* adcHandle){
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(adcHandle->Instance==ADC1){
    /* ADC1 clock enable */
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  }
}

• 在主函式while迴圈中新增如下測試程式，ADC1是12位轉換精度，因此電壓解析度為：3.3/(2¹²) = 3.3/4096

while (1){
  HAL_ADC_Start(&hadc1);	//啟動ADC轉換
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,10);	//等待轉換完成，10ms表示超時時間
  AD_Value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);	//讀取ADC轉換資料（12位資料）
  printf("ADC1_IN1 ADC value: %d\r\n",AD_Value);
  Vol_Value = AD_Value*(3.3/4096);	//AD值乘以解析度即為電壓值
  printf("ADC1_IN1 VOL value: %.2fV\r\n",Vol_Value);
  
  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
  HAL_Delay(1000);
}

4. 下載驗證

編譯無誤後下載到開發板，可以看到系統執行時D1指示燈不斷閃爍，調節電位器時，獲取的AD轉換值和電壓值將變化，並通過串列埠列印出來